Energetyka solarna oparta na źródłach rozproszonych w miastachZastosowanie narzędzi GIS w ocenie lokalnych warunków solarnych

Zobowiązania międzynarodowe, szczególnie dyrektywy Unii Europejskiej, stawiają Polskę przed trudnym wyzwaniem ograniczenia emisji zanieczyszczeń atmosferycznych oraz zwiększenia udziału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w ogólnym bilansie energetycznym kraju. Wyznaczone cele wydają się trudne do osiągnięcia, ale opracowanie i wdrożenie nowatorskich koncepcji może ułatwić te zmagania.

Obszary miejskie stanowią miejsce konsumpcji ogromnej ilości energii. Dlaczego więc nie produkować jej na miejscu? Barierą może być cena gruntu pod inwestycje w mieście, ale warto poszukać rozwiązania również i tego problemu. Można na przykład wykorzystać niezagospodarowane powierzchnie dachów – inwestycje takie nie będą obarczone wieloma czynnościami biurokratycznymi, a w wielu wypadkach nie trzeba nawet się ubiegać o pozwolenie na budowę.

Oczywiście nie ulokujemy na dachu elektrowni, ale warto już rozważyć instalację ogniw fotowoltaicznych (PV). Ważna jest kwestia wyboru najlepszej lokalizacji, tak żeby ogniwa dostarczały jak najwięcej energii, były blisko linii energetycznych itp. Z pomocą przyjdą tutaj systemy informacji geograficznej (GIS).

Ocena warunków solarnych przy użyciu technik GIS

Żeby efektywnie wykorzystywać energię słoneczną, należy dobrze rozpoznać jej zasoby. Do tej pory, oceniając zasoby helioenergetyczne Polski, brano pod uwagę takie parametry jak: liczba godzin słonecznych, sumy miesięczne i roczne promieniowania, przezroczystość atmosfery oraz lokalne zróżnicowanie rzeźby terenu.

Podstawą wielu opracowań były dane aktynometryczne ze stacji pomiarowych, należy jednak pamiętać, że jest ich w Polsce niewiele, np. w województwie dolnośląskim stacje aktynometryczne znajdują się we Wrocławiu, Jeleniej Górze, Kłodzku, Legnicy oraz na Śnieżce. Z tego powodu opracowania oparte na interpolacji danych pomiarowych obarczone są dużym błędem.

Ze względu na dużą niedokładność opracowań opartych na danych ze stacji aktynometrycznych podjęto próbę stworzenia bardziej precyzyjnego modelu. W tym celu sięgnięto do możliwości, jakie stwarzają dziś programy z rodziny GIS – geograficznych systemów informacji. Programy te mają zaimplementowane modele fizyczne, dzięki czemu pozwalają na parametryzację elementów atmosferycznych, np. deklinacji słońca.

Obecnie istnieje kilka modeli przeznaczonych do obliczania dopływu promieniowania słonecznego. Jednymi z pierwszych były SolarFlux w ArcInfo [2] oraz Solei w systemie GIS IDRISI [8]. Ze względu na wykorzystywanie bardzo uproszczonych algorytmów oba modele sprawdzały się jedynie w przypadku obliczeń dla niewielkich regionów. Bardziej zaawansowanym modelem jest Solar Analyst w Arc View [1] oraz SRAD, który umożliwia uwzględnienie w analizach ukształtowania powierzchni oraz oddziaływania atmosfery, jednak sprawdza się dobrze tylko w odniesieniu do małych regionów [7].

Z kolei model r.sun pozwala na obliczenie ilości dopływającego promieniowania słonecznego na podstawie cyfrowego modelu terenu i parametryzacji procesów atmosferycznych [5, 6]. Jednym z celów badań autorki było oszacowanie możliwości zastosowania modelu r.sun w ocenie potencjału solarnego wybranego obszaru. Wątek ten obejmował prace mające na celu modyfikację istniejącego modelu w taki sposób, by uzyskiwane wyniki były jak najbardziej zbliżone do danych pomiarowych.

Charakterystyka modelu r.sun

W badaniach zastosowano model r.sun [3] stanowiący część systemu informacji przestrzennej GIS GRASS dostępnego na zasadzie licencji GPL (GNU General Public License). Wybrano program GRASS będący tzw. wolnym oprogramowaniem. Jego główną zaletą jest brak konieczności zakupu licencji oraz nieograniczone możliwości wprowadzania modyfikacji przez użytkownika. Kolejną zaletą jest szybkość pracy i możliwość korzystania podczas analiz ze skryptów w prostych językach programowania (python, bash).

Model r.sun umożliwia obliczenie natężenia promieniowania bezpośredniego, natężenia promieniowania odbitego i natężenia promieniowania rozproszonego. Wielkość natężenia promieniowania słonecznego podawana jest w W/m2, natomiast sumy natężenia promieniowania słonecznego w Wh/m2.

Wszystkie dane wejściowe i parametry modelu opisano w publikacjach [9, 10, 11, 12]. W artykule poświęcono uwagę efektom analiz z zastosowaniem modelu r.sun na przykładzie miasta.

Praktycznym novum jest uwzględnienie w analizie zachmurzenia nieba oraz zmętnienia atmosferycznego wywołanego zanieczyszczeniami obecnymi w powietrzu atmosferycznym. Wyniki przedstawiają dzięki temu natężenie promieniowania słonecznego całkowitego w warunkach rzeczywistych.

Zastosowanie modelu r.sun w ocenie lokalnych warunków solarnych

Modelu r.sun użyto pierwotnie w celu opracowania map potencjału solarnego dla województwa dolnośląskiego. Podczas prac nad metodyką mającą na celu poprawę wyników obliczeń powstała koncepcja zastosowania tego modelu dla obszaru miejskiego.

Korzystając z opracowanej wcześniej metodyki, która pozwala uwzględnić zachmurzenie, zmętnienie atmosferyczne i deklinację słoneczną, wykonano obliczenia dla fragmentu Wrocławia. Dane opisujące geometrię budynków pochodzą ze stanu lidarowego, należy wspomnieć, że Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej dysponuje obecnie dokładniejszymi modelami miast (3D).

Oprócz obliczania ilości promieniowania docierającego do powierzchni dachów budynków model skutecznie wykazuje zmniejszanie się ilości docierającego promieniowania spowodowanego zacienieniem przez otaczające obiekty. Trwają obecnie prace nad uwzględnieniem wielkości zacienienia wywoływanego przez roślinność, jest to jednak zagadnienie złożone ze względu na sezonową zmienność zwartości koron drzew różnych gatunków.

Poniżej przedstawiono wyniki pracy modelu r.sun dla fragmentu Wrocławia. Analizę przeprowadzono dla całego roku, a uzyskane wyniki porównano z danymi pomiarowymi pochodzącymi z obserwatorium meteorologicznego Zakładu Klimatologii i Ochrony Atmosfery (ZKiOA) Uniwersytetu Wrocławskiego.

Rysunek 1 przedstawia wynik analizy natężenia promieniowania słonecznego całkowitego dla fragmentu Wrocławia w warunkach rzeczywistych. Prezentowana grafika sporządzona została dla godz. 12.00 10 września 2011 r. Czerwonym kolorem zaznaczono obszary zacienione – w obszarach tych godzinne sumy natężenia promieniowania słonecznego są niższe niż w pozostałych.

Technologia GIS umożliwia tworzenie map natężenia promieniowania słonecznego, w których uwzględniono zacienienie. Dodatkowo położenie i długość cienia rzucanego przez obiekty mogą być modyfikowane przez odpowiedni dobór współczynnika deklinacji słonecznej. Dzięki temu wyznaczona pozycja i długość cienia jest zgodna z rzeczywistymi parametrami. Jego położenie i długość zmienia się wraz z wędrówką słońca po niebie (rys. 2).

Również sumy dobowe i miesięczne promieniowania całkowitego uzyskiwane za pomocą techniki GIS są zgodne z danymi rzeczywistymi. W artykule porównano wyniki analiz z danymi ZKiOA (rys. 3).

Wnioski

Uzyskane wyniki oraz opisane powyżej możliwości technik GIS pozwalają opracować koncepcję rozwoju energetyki solarnej opartej na źródłach rozproszonych na terenie miasta. Zestawienie wyników analiz przestrzennych rozkładu promieniowania słonecznego na terenie Wrocławia z danymi z obserwatorium ZKiOA wykazało dużą zgodność zarówno pod względem sum godzinnych, jak i miesięcznych promieniowania całkowitego. 

Możliwości, jakie stwarzają technologie GIS w zakresie analiz promieniowania słonecznego, zdają się być nieograniczone. Już teraz można za ich pomocą wyznaczyć obszary uprzywilejowane pod względem solarnym. 

Odpowiednie gospodarowanie energią w miastach jest dziś nieuniknione. Rosnąca konsumpcja energii połączona z koniecznością redukcji ilości zanieczyszczeń uwalnianych do atmosfery sprawiają, że produkcja energii jedynie z konwencjonalnych źródeł, takich jak węgiel, jest rozwiązaniem przestarzałym. 

Zastosowanie technologii odnawialnych źródeł energii może stanowić rozwiązanie problemu. Źródła odnawialne są jednak nieprzewidywalne, dlatego w ich przypadku konieczne jest dobre rozpoznanie zasobów oraz opracowanie solidnej koncepcji wykorzystania i gospodarowania energią. W przypadku energii słonecznej taka koncepcja polega na wyznaczeniu najlepszych lokalizacji do zainstalowania ogniw fotowoltaicznych – korzystnych nie tylko pod względem warunków solarnych, ale także odległości od sieci energetycznej.

Kolejnym kryterium może być również bezpieczeństwo instalacji. Element koncepcji stanowią także kalkulacje potrzebnych nakładów finansowych i przewidywanych zysków ekonomicznych, a także ekologicznych (wynikających z redukcji zanieczyszczeń powstających w ­mieście). 

Literatura

1. Fu P., Rich P.M., The solar analyst 1.0 user manual. Helios Environmental Modeling Institute, 2000, www.hemisoft.com.
2. Dubayah R., Rich P.M., Topographic solar radiation models for GIS, „International Journal of Geographical Information Systems” No. 9, 1995.
3. Hofierka J., Ńuri M., The solar radiation model for Open Source GIS: implementation and applications, Proceedings of the Open Source Gis-GRASS users Conference, Treto 2002.
4. Hofierka J., Direct solar radiation modelling within an open GIS environment, Proceedings of the Joint European GIS Conference, 1997.
5. Kryza M., Szymanowski M., Migała K., Zastosowanie modelu r.sun do określania dobowych sum promieniowania rzeczywistego na lodowcu Werenskjolda (SW Spitsbergen), „Prace i Studia Geograficzne” nr 47, 2011.
6. Kryza M., Szymanowski M., Migała K., Pietras M., Spatial information on total solar radiation: application and evaluation of the r.sun model for the Wedel Jarlsberg Land, Svalbard, „Polish Polar Researches” No. 31(1), 2010.
7. McKenney D.W., Mackey B.G., Zavitz B.L., Calibration and sensitivity analysis of a spatially distributed solar radiation model, „International Journal of Geographical Information Science” No. 13 (1), 1999.
8. Miklánek P., The estimation of energy income in grid points over the basin using simple digital elevation model, „Annales Geophysicae”, European Geophysical Society, Springer, Supplement II, No. 11, 1993.
9. Pietras M., Moduł r.sun – wykorzystanie w obliczaniu wydajności kolektorów słonecznych, w: Netzel P. (red.)., „Analizy przestrzenne z wykorzystaniem GRASS”, Rozprawy Naukowe Instytutu Geografii i Rozwoju Regionalnego nr 15/2011, Uniwersytet Wrocławski.
10. Pietras M., Netzel P., Ocena potencjału solarnego wybranego obszaru przy użyciu narzędzi GIS na przykładzie programu GRASS, w: Kasperski J. (red.), Dolnośląski Dom Energooszczędny, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2011.
11. Pietras M., Netzel P., The method of assessment of solar potential for selected area with use Geographical Information Systems, European Physical Journal (EPJ) Web of Conferences Vol. 33, 2012, http://dx.doi.org/10.1051/epjconf/20123301010.
12. Pietras M., Możliwości redukcji zanieczyszczeń atmosferycznych poprzez zastosowanie kolektorów słonecznych na obszarze województwa dolnośląskiego, maszynopis rozprawy doktorskiej, Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego Uniwersytetu Wrocławskiego, 2012.