Page 1
KUJAWSKO – POMORSKA SZKOŁA WYŻSZA
w Bydgoszczy
Wydział Techniczny
kierunek: „geodezja i kartografia”
Małgorzata Wawer
numer albumu 14193
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału
solarnego dla fragmentu miasta Bydgoszczy
Praca inżynierska napisana
pod kierunkiem
dr inż. Ryszarda Preussa
BYDGOSZCZ 2014
Page 2
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 2
"Wszystko na Ziemi jest sprzężone, a Ziemia powiązana jest ze Słońcem,
swoim pierwotnym źródłem energii.
Czy ludzie nie potrafią naśladować roślin i ujarzmić jego energię?
W ciągu 90 minut Słońce wytwarza tyle energii,
ile cała ludzkość zużywa w ciągu roku,
póki istnieje Nasza planeta, energia Słońca będzie niewyczerpana.
Wystarczy, że przestaniemy wiercić w ziemi i zaczniemy patrzeć w niebo.
Wystarczy, że nauczymy się ujarzmiać i wykorzystywać Słońce. "
[Home - S.O.S. Ziemia!, 2009]
Page 3
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 3
Spis rysunków .......................................................................................... 5
Spis tabel .................................................................................................. 7
Streszczenie .............................................................................................. 8
Abstract .................................................................................................... 9
CZĘŚĆ TEORETYCZNA ................................................................... 10
1. Wstęp .................................................................................................. 10
2. Cel pracy ............................................................................................ 13
3. Pojęcia dotyczące słonecznego katastru .......................................... 14
3.1. Energia promieniowania słonecznego .......................................... 14
3.2. Kolektory słoneczne...................................................................... 19
3.3. Ogniwa fotowoltaiczne (PV) ........................................................ 21
3.4. Lotniczy skaning laserowy ........................................................... 22
4. Słoneczny kataster ............................................................................. 26
4.1. Słoneczny kataster na Świecie ...................................................... 27
4.1.1. Fotowoltaiczny Geograficzny System Informacji PVGIS
(Photovoltaic Geographical Information System) ............................ 29
4.1.2. Słoneczny kataster - Boston (City of Boston.gov) ................. 34
4.1.3. Słoneczny kataster - Wiedeń (Wien Umweltgut:
Solarpotenzialkataster)...................................................................... 37
4.2. Słoneczny kataster na Świecie - podsumowanie .......................... 39
4.3. Słoneczny kataster w Polsce ......................................................... 42
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA ...................................................................... 44
5. Bydgoszcz ........................................................................................... 44
5.1. Klimat w Bydgoszczy ................................................................... 44
5.2. Ograniczenie emisji CO2 w Bydgoszczy ...................................... 44
5.3. Dofinansowanie instalacji solarnych w Bydgoszczy .................... 46
6. Wykorzystanie programu PVGIS dla instalacji fotowoltaicznej
zamontowanej na dachu Uniwersytety Technologiczno -
Przyrodniczego w Bydgoszczy ............................................................. 47
7. Stworzenie słonecznego katastru dla fragmentu dzielnicy Glinki
w Bydgoszczy, dzięki zastosowania narzędzia Solar Radiation
programu ArcGIS ................................................................................. 51
7.1. Opis programu .............................................................................. 52
Page 4
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 4
7.2. Praca w programie ........................................................................ 53
8. Wnioski ............................................................................................... 58
Bibliografia ............................................................................................ 60
Strony internetowe ................................................................................ 62
Page 5
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 5
Spis rysunków
Rysunek 1.1. Ilustracja wielkości rocznego strumienia energii ze źródeł
odnawialnych w stosunku do zużycia energii przez ludzkość w 2010 r 11
Rysunek 3.1. Rodzaje promieniowania .................................................. 15
Rysunek 3.2. Intensywność promieniowania słonecznego w Europie ... 16
Rysunek 3.3. Rozkład nasłonecznienia w Polsce ................................... 16
Rysunek 3.4. Moc odbierana przez kolektor słoneczny w zależności
od kąta padania promieni słonecznych ................................................... 17
Rysunek 3.5. Zmienność kąta padania promieni słonecznych
w zależności od pór roku ........................................................................ 18
Rysunek 3.6. Podział kolektorów ze względu na zastosowany czynnik
roboczy .................................................................................................... 19
Rysunek 3.7. Mobilna stacja solarna - kolektor płaski - stanowisko
dydaktyczne na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym ........... 20
Rysunek 3.8. Prosty schemat ogniwa fotowoltaicznego z krzemu
krystalicznego ......................................................................................... 21
Rysunek 3.9. Zasada działania lotniczego skaningu laserowego ........... 22
Rysunek 3.10. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP
Aero: a) chmura punktów, b) klasyfikacje obiektowe ........................... 24
Rysunek 3.11. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP
Aero: analizy zmian ............................................................................... 24
Rysunek 3.12. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP
Aero: a) NMT , b) NMPT ...................................................................... 24
Rysunek 3.13. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP
Aero: Profile linii elektroenergetycznych ............................................... 25
Rysunek 4.1. Photovoltaic Geographical Information System -
Interactive maps. ..................................................................................... 31
Rysunek 4.2. Photovoltaic Geographical Information System -
Interactive maps ...................................................................................... 31
Rysunek 4.3. Zdjęcia lotnicze, City of Boston ....................................... 35
Rysunek 4.4. Mapa ulic, City of Boston ................................................. 35
Rysunke 4.5. Teren, City of Boston ........................................................ 36
Page 6
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 6
Rysunek 4.6. Opcja "Calculations" do obliczenia potencjału solarnego
dachu, City of Boston .............................................................................. 36
Rysunek 4.7. Słoneczny kataster dla miasta Wiedeń .............................. 38
Rysunek 4.8. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - przydatność
całego dachu pod instalacje solarne ........................................................ 39
Rysunek 4.9. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - ukazanie
najkorzystniejszego miejsca pod instalacje solarne ................................ 39
Rysunek 4.10. Słoneczny kataster dla miasta Berlin, wersja
trójwymiarowa ........................................................................................ 40
Rysunek 4.11. Słoneczny kataster dla miasta Los Angeles .................... 40
Rysunek 4.12. Słoneczny kataster dla miasta Graz ................................ 41
Rysunek 4.13. Słoneczny kataster dla miasta Monachium ..................... 41
Rysunek 4.14. Potencjał solarny dachów wybranych obiektów
Warszawy - wizualizacja w aplikacji ArcScene ..................................... 42
Rysunek 5.1. Lokalizacja miasta Bydgoszcz w Polsce .......................... 44
Rysunek 5.2. Ulotka informacyjna " Program dofinansowania do 70%
na zakup i montaż zestawów solarnych" ................................................ 46
Rysunek 6.1. Moduły ogniw fotowoltaicznych na dachu UTP
w Bydgoszczy ......................................................................................... 48
Rysunek 6.2. Miejsce lokalizacji ogniw fotowoltaicznych na UTP
w Bydgoszczy. Photovoltaic Geographical Information System -
Interactive maps ...................................................................................... 48
Rysunek 6.3. Wynik uzyskany po wprowadzeniu danych do Photovoltaic
Geographical Information System - Interactive maps ............................ 49
Rysunek 7.1. Obszar opracowania .......................................................... 51
Rysunek 7.2. Mapy bazowe programu ArcMap ..................................... 53
Rysunek 7.3. Obszar opracowania jako NMPT w formacie ARC/INFO
ASCII GRID. Widok po użyciu narzędzia "ASCII to Raster" ............... 54
Rysunek 7.4. Zakładka ArcToolbox ....................................................... 54
Rysunek 7.5. Rastry wynikowe po zastosowaniu narzędzia Area Solar
Radiation ................................................................................................. 55
Rysunek 7.6. Promieniowanie globalne sklasyfikowane na 3 grupy ..... 56
Page 7
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 7
Rysunek 7.7. Propozycja geoportalu z mapą potencjału solarnego
dla fragmentu dzielnicy Glinki w Bydgoszczy ....................................... 57
Spis tabel
Tabela 4.1. Przykłady słonecznych geoportali ....................................... 27
Page 8
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 8
Streszczenie
Polska w 1992 roku w Rio de Janeiro uczestniczyła w Szczycie
Ziemi, dzięki czemu mogła podpisać protokół z Kioto w 1997 roku,
który mówi o ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych. Jednym
ze sposobów zmniejszenia stężenia CO2 w powietrzu jest korzystanie
z Odnawialnych Źródeł Energii, a w tym z energii pochodzącej
od Słońca. Państwa takie jak Niemcy, czy Austria znalazły sposób jak
poszerzyć świadomość swoich obywateli i zainwestować w instalacje
solarne. Na oficjalnych stronach miast umieściły tzw. słoneczne katastry.
Są to geoportale, na których zainteresowany może ocenić czy dach jego
domu jest korzystnie usytuowany względem słońca, tak aby
zainstalować tam kolektor słoneczny bądź ogniwo fotowoltaiczne.
W niniejszej pracy opisano portal solarny dla miast Boston
i Wiedeń, a także program Photovoltaic Geographical System. Każdy
geoportal został omówiony, a następnie wszystkie ze sobą zostały
porównane pod względem trudności w obsłudze i stopnia
zaawansowania.
W części praktycznej pracy zbudowano słoneczny kataster
dla niewielkiego obszaru miasta Bydgoszczy, na podstawie danych
numerycznego modelu pokrycia terenu w formacie Arc/Info ASCII
GRID pozyskanych z CODGiK. Do tego celu użyto program
ArcGIS 10.0 firmy ESRI.
Page 9
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 9
Abstract
In 1992 in Rio de Janeiro Poland participated in the Earth Summit
(United Nations Framework Convention on Climate Change), so that she
could sign the Kyoto Protocol in 1997, which talks about reducing
greenhouse gas emissions. One of the ways to reduce the concentration
of CO2 in the air is the use of renewable energy sources, including
energy coming from the Sun. Countries such as Germany or Austria
have found away how to broaden awareness of their citizens and invest
in solar installations. Cities put solar map on their official website. Solar
map is a geoportal, where the interested can assess whether the roof of
his house is favorably located towards the sun, to install photovoltaic
cell or solar collector.
This paper describes the solar portal for the city of Boston
and Vienna, as well as program Photovoltaic Geographical System. Each
of the geoportal has been discussed, and then all together were
compared: in terms of difficult to use and degree of completion.
In the practical part solar map for a small area of the city of
Bydgoszcz was built, on the basis of the digital surface model in the
format Arc/Info ASCII GRID from CODGiK. For this purpose, it uses
the program ArcGIS 10.0 from ESRI.
Page 10
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 10
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
1. Wstęp
"Tipping point", czyli punkt krytyczny
Surowce naturalne takie jak węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa
to energia słoneczna przechwycona przez rośliny ponad 100 milionów
lat temu. Kiedy człowiek znalazł zastosowanie dla tych materiałów
energetycznych, w ciągu 50 lat świat zmienił się nie do poznania.
Rozwój spowodował, że podwoiła sie liczba ludności, rozkwitł
przemysł, zwiększyły się możliwości transportowe. Rolnictwo zostało
tak unowocześnione, że kraje rozwinięte produkują nadwyżki żywności.
Litr ropy wytwarza tyle energii co praca stu osób.
Za cały ten rozkwit ogromną cenę płaci nasze środowisko. Wzrost
stężenia CO2 w atmosferze powoduje powiększenie się dziury ozonowej.
Emisja tlenku siarki i azotu ze spalania węgla jest przyczyną kwaśnych
deszczy oraz smogu. Wielki smog londyński, który utrzymywał się tylko
kilka dni w 1952 roku doprowadził do śmierci tysięcy mieszkańców.
W styczniu 2014 roku w Pekinie bezpieczna dla zdrowia granica
25 mikrogramów na metr sześcienny stężenia pyłów w powietrzu została
przekroczona 26-krotnie i wyniosła 671 mikrogramów na metr
sześcienny.
Globalna temperatura rośnie i topi lodowce, poziom mórz
i oceanów wzrasta zatapiając nisko położone tereny. Spalanie paliw
kopalnianych uwalnia do atmosfery dwutlenek węgla. Związanie
miliony lat temu tego pierwiastka w skałach, oczyściło powietrze
i pozwoliło na wytworzenie na naszej planecie życia. W 2007 roku
emisja CO2 wyniosła 30 mld ton, a obecnie stężenie dwutlenku węgla
to 399 ppm. Równowaga klimatyczna jest zachwiana,
przez co świat coraz częściej jest narażany na samoistne pożary,
powodzie, susze i huragany. Kataklizmy mają ogromny wpływ na
prosperowanie państw. Kraje biedne stają się coraz biedniejsze, a bogate
próbując im pomóc także zmniejszają swój portfel finansowy, który
Page 11
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 11
mógłby być przeznaczony na inne cele [Home - S.O.S. Ziemia!, 2009;
Nowicki, 2012; Wiśniewski, 2001].
Ropa jak i węgiel kiedyś się skończą. Najpierw dojdzie do wzrostu
ich cen i uzależnienia się od krajów, które posiadają złoża, a zniszczenia
w środowisku z powodu nadmiernej eksploatacji będą nie do cofnięcia.
Można by tego uniknąć. W 1992 roku w Rio de Janeiro została
podpisana United Nations Framework Convention on Climate Change
(Ramowa Konwencja Narodów Zjednoczonych w sprawie Zmian
Klimatu). Jest to umowa międzynarodowa, której celem jest
ograniczenie emisji gazów cieplarnianych odpowiedzialnych za zjawisko
globalnego ocieplenia. Co rok odbywa się Conferences of the Parties
(Konferencja Stron), która sprawdza realizacje postanowień UNFCCC.
Na tych spotkaniach podejmowane są działania polegające na szukaniu
drogi wyjścia z ciągłego obciążania środowiska spalinami. Jednym
i najważniejszym rozwiązaniem są odnawialne źródła energii: Słońce,
biomasa, wiatr, woda, energia geotermalna, fal i pływów morskich.
Rysunek 1.1 przedstawia roczne zużycie energii przez ludzkość
w 2010 roku, w porównaniu do wielkości rocznego strumienia energii
z poszczególnych źródeł odnawialnych, gdzie odpowiednio kolor
czerwony oznacza światowe zapotrzebowanie na energię [Nowicki,
2012; www.unfccc.int].
Rysunek 1.1. Ilustracja wielkości rocznego strumienia energii ze źródeł
odnawialnych w stosunku do zużycia energii przez ludzkość w 2010 roku [Źródło:
Nowicki, 2012]
Page 12
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 12
Jak widać na rysunku 1.1 każde z odnawialnych źródeł energii jest
w stanie zaspokoić światowe zapotrzebowanie na potrzebną energię,
a Słońce może jej dostarczyć najwięcej. Darmową energię
promieniowania słonecznego wykorzystuje się w kolektorach
słonecznych do podgrzania wody lub w ogniwach fotowoltaicznych
do produkcji prądu.
Świat jest teraz w momencie krytycznego punktu "tipping point" -
jak określają naukowcy. Jeśli nie zmieni się świadomość ludzi
i nie zaczniemy dbać o środowisko to Ziemia, którą znamy, może się
przeistoczyć w krainę, w której nie będzie zielonych lasów ani czystych
jezior, a czyste powietrze będzie sprzedawane w plastikowych workach.
Społeczeństwo trzeba uświadamiać. Wiedza potencjalnego
obywatela na temat wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE)
jest wciąż uboga. W celu wykorzystania w największym stopniu
dostępnych źródeł energii odnawialnej, powstały odpowiednie
laboratoria oraz urządzenia pomiarowe pozwalające określić
odpowiednie parametry mające wpływ na wydajność poszczególnych
rozwiązań. Energia słoneczna skupiła na sobie uwagę geodetów, którzy
stworzyli słoneczny kataster [Królikowski, 2011].
Page 13
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 13
2. Cel pracy
Celem niniejszej pracy jest omówienie tematu związanego
ze słonecznym katastrem pozwalającym na wyznaczenie wartości
nasłonecznienia określonej powierzchni (dachu budynku) i możliwej
do pozyskania na niej energii słonecznej. W pracy zostały opisane
oraz porównane portale internetowe pod względem stopnia
zaawansowania, stopnia trudności w obsłudze, a także w zakresie
przekazywanych informacji. Portale te służą do wykonywania
potencjalnych analiz nasłonecznienia dla różnych miast naszego Globu.
Część praktyczna obejmuje dwa zadania. Pierwsze, dzięki nawiązaniu
kontaktu z firmą GREEN SYNERGY Sp. z o.o., to przeprowadzenie
symulacji opłacalności montażu ogniw fotowoltaicznych w geoportalu
Photovoltaic Geographical System. Drugie zadanie, stworzenie mapy
potencjału solarnego dla fragmentu miasta Bydgoszczy. Dane do tego
celu w postaci Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu zostały
pozyskane z Centralnego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej
i Kartograficznej (CODGiK), a oprogramowanie ArcGIS Desktop 10.0
zostało użyczone w rocznej licencji przez firmę Esri.
Page 14
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 14
3. Pojęcia dotyczące słonecznego katastru
Zagłębiając sie w temat słonecznego katastru należy omówić
tematy z tym związane, takie jak: energia słoneczna, kolektory
oraz ogniwa fotowoltaiczne. Ważne jest także przybliżenie zagadnień
związanych ze skaningiem laserowym, bez którego dzisiejszy solarny
kataster nie mógłby powstać. Pomoże to zrozumieć techniczną część
związaną z geoportalami potencjału solarnego.
3.1. Energia promieniowania słonecznego
Promieniowanie emitowane przez Słońce to promieniowanie
słoneczne w postaci promieniowania elektromagnetycznego o określonej
mocy. Jego moc w kosmosie to gigantyczna wartość, wynosząca
w przybliżeniu 3,9·1020
MW, dla porównania największa
hydroelektrownia na świecie, Zapora Trzech Przełomów w Chinach
dostarcza 2,25·104 MW. Do Ziemi dociera niewielka część tej mocy,
która biorąc pod uwagę nasze potrzeby i tak jest ogromna. Na górnej
granicy atmosfery natężenie promieniowania Słońca wynosi 1367 W/m2
powierzchni ustawionej prostopadle do padających na nią promieni.
W najbardziej korzystnych warunkach na Ziemi, między zwrotnikami,
dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu ok. 1100 W/m2 i to tylko
przy bezchmurnym niebie [Chwieduk, 2011; Nowicki, 2012].
Wyżej omawiane natężenie promieniowania to wartość gęstości
mocy promieniowania słonecznego padającego w ciągu jednej sekundy
na powierzchnię jednego metra kwadratowego, prostopadłą do kierunku
promieniowania [Chwieduk, 2011].
Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi dzieli się
na różne rodzaje co obrazuje rysunek 3.1. Promieniowanie bezpośrednie
to takie, które dociera bez żadnych przeszkód do powierzchni Ziemi,
np. w bezchmurne czyste niebo. Chmury absorbują część
promieniowania, ale także odbijają je i załamują jego kąt padania, takie
promieniowanie nazywa się rozproszonym, inaczej dyfuzyjnym.
Page 15
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 15
Promieniowanie odbite to takie, które powstaje w wyniku odbicia się
emitowanej wiązki światła od powierzchni terenu, a także od różnych
elementów na niej znajdujących się.
Rysunek 3.1. Rodzaje promieniowania [Źródło: opracowanie własne]
Polskę pod względem intensywności promieniowania, gdyby
podzielić jej terytorium na dwie części, na południu można porównywać
z północną Francją, a na północy z sąsiadującymi Niemcami, które od lat
wykorzystują energię odnawialną ze Słońca (rys. 3.2).
Nasłonecznienie to suma natężenia promieniowania słonecznego
w danym czasie i na danej powierzchni. Jest to wielkość opisująca
zasoby energii słonecznej w danym miejscu i czasie, wyrażana jest
w Wh/m² na dzień, miesiąc lub rok. Średnia ilość energii
z promieniowania słonecznego w Polsce jest szacowana w przybliżeniu
na 900 - 1100 kWh/m2 rocznie. Daje to równowartość energii powstałej
w wyniku spalania ok. 110 m3 gazu ziemnego lub 100 l oleju opałowego.
Page 16
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 16
Rysunek 3.2. Intensywność promieniowania słonecznego w Europie [Źródło:
www.solargis.info]
Polska mapa nasłonecznienia została przedstawiona na rysunku
3.3. Rejon Tatr osiąga największe wartości sumy promieniowania
słonecznego, a północna część województwa mazowieckiego
najmniejsze.
Rysunek 3.3. Rozkład nasłonecznienia w Polsce [Źródło: www.gramwzielone.pl]
Page 17
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 17
Przy instalowaniu kolektorów jak i ogniw fotowoltaicznych, ważny jest
także kąt padania energii słonecznej. Na rysunku 3.4 oba przypadki
przedstawiają wpływ kąta padania na moc odbieraną przez kolektor.
Rysunek 3.4. Moc odbierana przez kolektor słoneczny w zależności od kąta padania
promieni słonecznych [Źródło: Oszczak, 2012]
Lewa strona, gdzie Słońce jest w zenicie ukazuje
nam, że gęstość mocy promieniowanej i padającej jest taka sama
i wynosi 1000 W/m2, po prawej stronie kąt padania równy jest 45º
co sprawia, że ta sama gęstość mocy pokrywa większą niż poprzednio
część kolektora i daje także gorszy rezultat (769 W/m2)
[Oszczak, 2012].
Energia słoneczna dociera do konkretnego miejsca na Ziemi
w sposób zmienny. Wyróżniamy dzień i noc, zmiany pogodowe, a także
zmiany pór roku, gdzie kąt padania promieni słonecznych jest różny.
Latem podczas słonecznego dnia można otrzymać 90 razy więcej energii
niż w zachmurzony dzień w zimie.
Page 18
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 18
Zmienność kata padania promieni słonecznych w zależności od pory
roku obrazuje rysunek 3.5.
Rysunek 3.5. Zmienność kąta padania promieni słonecznych w zależności od pór
roku [Źródło: www.neon.net.pl]
Latem Słońce mamy najdłużej na niebie, kreśli ono łuk o kącie około
260º, natomiast zimą wyznacza tylko niewielki łuk około 100º.
Optymalny kąt dla położenia kolektorów słonecznych w Polsce
jest różny dla każdej instalacji. Odkryty przydomowy basen - kąt
odchylony od poziomu o 20º - 30º. Całoroczne podgrzewanie ciepłej
wody użytkowej 50º - 70º, a nawet 90º. Jest to maksymalne
wykorzystanie energii słonecznej zimą [Oszczak, 2012]. W literaturze
można także sie spotkać z zaleceniem pochylenia pod kątem 40º,
przy ekspozycji południowej lub odchylonej o 15º w kierunku
zachodnim dla całorocznej instalacji podgrzewania ciepłej wody
użytkowej [Chwieduk, 2008].
Rysunek 3.5. ukazuje również, że najkorzystniejsze usytuowanie
instalacji solarnej to kierunek na południe. Ewentualnie dopuszcza się
montaż na stronie południowo wschodniej, bądź południowo zachodniej,
ale skutkować to będzie mniejszą efektywnością.
Page 19
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 19
3.2. Kolektory słoneczne
W urządzeniu zwanym kolektorem dochodzi do konwersji energii
słonecznej w ciepło. Technologia ta może być bardzo prosta,
jak np.: czarna mata, przez którą przepływa woda basenowa w celu
jej podgrzania, bądź bardziej skomplikowana jak w kolektorach
próżniowo - rurowych, gdzie element zbierający ciepło umieszczony jest
w próżni. W tych drugich zaawansowanie technologiczne, które daje
większą sprawność idzie w parze z wysokością ceny [Wiśniewski,
2001]. Ze względu na konstrukcje możemy wyróżnić kolektory płaskie
i skupiające, natomiast podział ze względu na zastosowany czynnik
roboczy został przedstawiony na rys. 3.6 [www.uwm.edu.pl].
Rysunek 3.6. Podział kolektorów ze względu na zastosowany czynnik roboczy
[Źródło: www.uwm.edu.pl].
Kolektory powietrzne są najtańszym typem kolektorów. Mogą być
wykorzystywane w wentylacji, a także do suszenia zboża w rolnictwie.
Dużą zaletą jest tutaj brak występowania korozji, natomiast hałas
wydobywający się z wentylatorów wymuszających obieg można uznać
za wadę [Nowicki, 2012; www.uwm.edu.pl].
Page 20
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 20
Płaskie kolektory cieczowe do podgrzewania wody użytkowej
stosowane są najczęściej. W przypadku wykorzystania ich
do ogrzewania budynku, muszą być wspomagane przez inne źródło
ciepła. Kolektor płaski został przedstawiony na rysunku 3.7. Absorber
oznaczony literą A może być wykonany z blachy miedzianej,
aluminiowej, bądź stalowej, gdzie wewnątrz znajduje się układ kanałów
przepływowych czynnika roboczego: wody, glikolu lub oleju
silikonowego [Nowicki, 2012; www.uwm.edu.pl].
Rysunek 3.7. Mobilna stacja solarna - kolektor płaski - stanowisko dydaktyczne na
Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym: A - absorber [Źródło: opracowanie
własne]
Dzięki zastosowaniu próżni kolektory próżniowe eliminują emisję
ciepła z powrotem do otoczenia. Zazwyczaj zbudowane są ze szklanych
rur o podwójnych ściankach. Absorber umieszczony jest wewnątrz rury,
bądź może nim być wewnętrzna ścianka rury. Kolektory rurowe zwykle
osiągają wyższą sprawność niż kolektory płaskie, niestety nie w każdym
przypadku mogą mieć zastosowanie [Nowicki, 2012].
A
Page 21
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 21
3.3. Ogniwa fotowoltaiczne (PV)
Najprostszym oraz najbardziej znanym sposobem zastosowania
fotoogniwa są małe panele słoneczne umieszczone w kalkulatorach.
Zjawisko fotowoltaiki przedstawiono na rys. 3.8. Ogniwo fotowoltaiczne
zbudowane zostało z krzemu krystalicznego, z jednej strony płytki
znajdują się atomy fosforu, a z drugiej boru. W miejscu zrównania sie
atomów boru i fosforu powstaje złącze typu p (pozytyw) - n (negatyw).
Na rysunku poniżej ukazane jest co dzieje się gdy na płytkę pada światło
słoneczne. Energia tworzy sie gdy rozdzielony jest ładunek dodatni
od ujemnego, wtedy może być ona przechwycona przez odbiornik
[Nowicki, 2012].
Rysunek 3.8. Prosty schemat ogniwa fotowoltaicznego z krzemu krystalicznego
[Źródło: Nowicki, 2012]: 1 - półprzewodnik p, 2 - półprzewodnik n, 3 - warstwa
graniczna, 4 - powłoka przeciw odblaskowa (antyrefleksyjna), 5 - anoda, 6 - katoda,
7 - płyta nośna
Ogniwa głównie wykonywane są z monokryształów krzemu, jest
to jednak dosyć drogi sposób produkcji. Tańszą wersją są ogniwa
z małych kryształów krzemu multikrystalicznego. Można także ogniwo
Page 22
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 22
zbudować z szklanej płytki, na którą nałożone są cienkie warstwy
krzemu, niestety maksymalna sprawność to 13%, gdy w przypadku tych
pierwszych wynosi ok. 28%. Pozostałe związki stosowane do produkcji
ogniw to: CdS - siarczek kadmu, CdTe - telluerek kadmu, CuInSe2 -
dwuselenek indowo-miedziowy (inaczej CIS), GaAs - arsenek glinu
[Nowicki, 2012].
Instalacje PV są drogie, co oczywiście uznajemy za wadę,
charakteryzują się jednak szeregiem zalet takich jak: długa żywotność
dochodząca do 30 lat, brak stosowania dodatkowego paliwa, urządzenie
to nie wymaga konserwacji ani obsługi, w ogniwie wykorzystywane jest
promieniowanie rozproszone, dzięki czemu praca następuje także
w pochmurne dni, produkcja energii nie powoduje emisji gazów
cieplarnianych do otoczenia i najważniejsze, Słońce jest darmowe,
więc energia jest za darmo [www.uwm.edu.pl].
3.4. Lotniczy skaning laserowy
Podstawą do stworzenia mapy potencjału solarnego jest chmura
punktów o znanych współrzędnych terenowych (X, Y, Z) pozyskana
dzięki technologii Light Detection and Ranging, w skrócie LIDAR, bądź
ALS (Airborne Laser Scaning). Są to dwie nazwy określające lotniczy
skaning laserowy. Jest to fotogrametryczna metoda pozyskiwania
danych obrazowych. Rysunek 3.9. ukazuje zasadę działania, gdzie
poprzecznie ustawiona do trajektorii lotu wiązka lasera wykonuje
skanowanie terenu.
Rysunek 3.9. Zasada działania
lotniczego skaningu laserowego
[Źródło: opracowanie własne]
Page 23
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 23
W wyniku rejestrowania odbicia impulsów lasera powstaje chmura
punków, z której możemy utworzyć NMT1 i NMPT
2 [Kurczyński, 2006;
Marmol, 2013; Preuss, 2012].
Do precyzyjnego określenia położenia miejsca rejestracji wiązki
skanującej używany jest system GPS. Na pokładzie samolotu, bądź
śmigłowca znajduje się także system do pomiaru odległości złożony
z dalmierza laserowego i odbiornika, system planowania i zarządzania
lotem, kamera fotogrametryczna i system inercyjny INS, służący
do obliczeń kierunków przyspieszeń i wynikowo orientacji kątowej
wiązki skanującej. Segment naziemny to naziemna, referencyjna stacja
GPS, a do przetwarzania i obróbki danych służy stacja robocza
[Kurczyński, 2006; Preuss, 2012].
Skaning laserowy ma wiele zalet przede wszystkim dokładność
i szybkość pomiarów, ale także niezależności od warunków
oświetleniowych i pogodowych (wyjątek silny deszcz i mgła). Są także
i wady. Laser charakteryzuje odmienna intensywność odbicia impulsu
od różnych powierzchni. Czarne i ciemne materiały absorbują go
najwięcej, tak więc następuje zjawisko pochłaniania impulsów lasera np.
przez asfalt. Chmury, mgła, smog zniekształcają wyniki, ponieważ
podobnie pochłaniają impuls lasera. Do wad trzeba dołączyć dodatkowo
dużą objętość zbioru danych [Preuss, 2012].
Bogatą ofertę wykorzystania skaningu laserowego oferuje firma
MGGP Aero: chmura punktów i klasyfikacje obiektowe (rys. 3.10),
analizy zmian (rys. 3.11), NMT i NMPT (rys. 3.12) i profile (rys. 3.13).
1 NMT numeryczny model terenu (DTM - Digital Terrain Model lub DEM - Digital Elevation Model)
- jest to zbiór punktów o znanych współrzędnych (X, Y, Z) powierzchni terenu wraz z algorytmem
interpolującym, dzięki któremu można określić kształt powierzchni albo wysokości poszczególnych
punktów. Tworzony w postaci GRID (regularna siatka kwadratów) lub TIN (nieregularna siatka
trójkątów [Preuss, 2012]. 2 NMPT numeryczny model pokrycia terenu (DSM - Digital Surface Model) - jest to model
powierzchni terenu zbudowany z chmury trójwymiarowo zlokalizowanych punktów
z uwzględnieniem roślinności, budynków itp. [Marmol, 2013].
Page 24
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 24
a) b)
Rysunek 3.10. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero:
a) chmura punktów, b) klasyfikacje obiektowe [Źródło: www.mggpaero.pl]
Rysunek 3.11. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero:
analizy zmian [Źródło: www.mggpaero.pl]
a) b)
Rysunek 3.12. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero:
a) NMT , b) NMPT [Źródło: www.mggoaero.pl]
Page 25
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 25
Rysunek 3.13. Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero:
Profile linii elektroenergetycznych [Źródło: www.mggpaero.pl]
W Polsce został zrealizowany projekt ISOK (Informatyczny
System Osłony Kraju), którego głównym celem jest konsolidacja
informacji o zagrożeniach powodziowych i gromadzenie ich w jednym
miejscu. Ma to na celu m.in. skrócenie czasu reakcji w sytuacji
kryzysowej, przewidywanie wystąpienia skutków np. powodzi.
Inicjatywa ta tworzy bardzo nowoczesny informatyczny system,
dostępny dla administracji, ale także dla indywidualnych obywateli.
Dane źródłowe w postaci Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu są
pozyskiwane głównie za pomocą technologii LIDAR [www.isok.gov.pl].
Dzięki projektowi ISOK istnieje wiele produktów skaningu
laserowego, które można wykorzystać do tworzenia słonecznych
katastrów miast. Najlepsze dane są w formacie ARC/INFO ASCII
GRID, to "pliki tekstowe zawierające wartość wysokości punktów
w regularnej siatce o oczku 0,5 metra dla obszarów miejskich
(standard II) lub 1 metra dla pozostałych obszarów (standard I),
wyinterpolowane na podstawie chmury punktów z lotniczego skaningu
laserowego (LIDAR). Dane zapisane są w postaci macierzy rastrowej"
[www.codgik.gov.pl]. Po przekształceniu można również wykorzystać
chmurę punktów, czyli źródłowe pliki pomiarowe zapisane w formacie
LAS (LASer File Format Exchange Activities - format pliku wymiany
trójwymiarowych danych chmury punktów pomiędzy użytkownikami).
Page 26
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 26
4. Słoneczny kataster
Słoneczny kataster inaczej nazywany jest katastrem dachowym,
atlasem słonecznym lub mapą potencjału solarnego. To portal
internetowy dostępny dla każdego potencjalnego użytkownika, który ma
za zadanie ukazać czy na danym dachu budynku opłaca się inwestować
w instalacje solarne. Tego typu geoportale powstają głównie
z inicjatywy samorządowej danego miasta, po to aby zwiększać
świadomość społeczeństwa na temat zalet korzystania z energii
słonecznej [Królikowski, 2011].
W bardzo dużym uproszczeniu i uogólnieniu do stworzenia
słonecznego katastru potrzeba [Królikowski, 2011]:
NMPT,
dane meteorologiczne,
algorytm do obliczenia potencjału solarnego,
serwer, udostępnienie w Internecie.
Jeżeli chodzi o NMPT to w poprzednim rozdziale zostało opisane
w jakim formacie najlepiej pobrać pliki do stworzenia mapy solarnej.
Natomiast kwestia meteorologiczna jest trudniejsza, gdyż dane
klimatyczne muszą opierać się na wieloletnich zapisach informacji
na temat promieniowania słonecznego, zachmurzenia, mgły itp. Cenne
wskazówki zawarte są w artykule Pana Kamila Sukiennika z firmy Esri,
która ma w swojej ofercie wykonywanie analiz nasłonecznienia
i zacienienia. Autor do tworzenia map solarnych wykorzystuje dane
pochodzące z internetowej strony Ministerstwa Infrastruktury
i Rozwoju "Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane
klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych
budynków" [Sukiennik, 2013].
Program wykorzystany do obliczeń potencjału solarnego jest
indywidualną decyzją twórcy. Można skorzystać z Solar Radiation
Firmy Esri, w rozszerzeniu ArcGIS Saptial Analyst, z GrassGIS model
Page 27
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 27
r.sun, bądź innych (więcej przykładów technologii zostało przedstawione
w rozdziale 4.1, w tabeli 4.1).
Najważniejszym aspektem udostępniania słonecznego katastru
w Internecie jest łatwa i przejrzysta "czytelność" dla przyszłego
użytkownika, a także to aby mapa była ułatwieniem w podjęciu decyzji
o instalacji kolektorów. Kiedy ktoś zdecyduje się na instalację solarną, to
z mapy powinien wyczytać informację czy potrzebuje jakieś dodatkowe
zezwolenie np. związane z budową na budynku zabytkowym [Sukiennik,
2013].
Przykłady opisane w następnych rozdziałach dokładniej
zaprezentują istniejące rozwiązania map solarnych.
4.1. Słoneczny kataster na Świecie
W 2008 roku dla miasta Osnabrück (Niemcy) powstała pierwsza
mapa potencjału solarnego. Niemcy oraz Stany Zjednoczone to kraje,
które przecierały szlaki w tej dziedzinie. Coraz większe obszary naszej
planety obejmowane są pozyskiwaniem danych za pomocą skaningu
laserowego, a szersza dostępność NMPT ułatwia realizację projektów
solarnych [Sukiennik, 2013]. Wykaz miast, posiadających obecnie portal
słoneczny został przedstawiony w tabeli 4.1 wraz z adresami
internetowymi, technologią wyliczania potencjału oraz technologią
udostępniania Web GIS.
Tabela 4.1. Przykłady słonecznych geoportali [Źródło: Królikowski, 2011]
Miasto
/region
Adres Technologia
wyliczania
potencjału
Technologia
Web GIS
EUROPA I
AFRYKA
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgi
s/apps4/pvest.php
Joint Research
Centre
MapServer
AUSTRIA
Graz http://gis.graz.at/ ArcGIS
Desktop
SynerGIS, Esri
ArcGIS Server
Page 28
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 28
Wiedeń http://www.wien.gv.at/
umweltgut/
brak danych bd. (część
Vienna GIS)
CHILE
Calama http://www.geopm-
kom5.de/geoapp
/catastrosolar/calama
Sun-Area,
ArcGIS
Desktop
Mapbender
NIEMCY
Berlin http://www.virtual-berlin.de/ Sun-Area,
ArcGIS
Desktop
Google Earth
(3D), Map-
Guide (2D)
Bielefeld http://www.bielefeld01.de/ Sun-Area,
ArcGIS
Desktop
Mapbender
Bremen http://www.solarkataster-
bremen.de//
brak danych bd.
Gelsenkirchen http://geo.gkd-el.de/
website/solar/
AeroWest Esri ArcIMS
Hamburg http://www.
hamburgenergiesolar.de/
Hamburg
Energie
OpenLayers+
WMS
Monachium http://maps.muenchen.de/ brak danych OpenLayers+
WMS
Osnabrück http://www.osnabrueck.de/
sun-area
Sun-Area,
ArcGIS
Desktop
Esri ArcIMS
Zw. powiatów
Neckar-
Odenwald-
Tauber
http://www.leader-neckar-
odenwald-tauber.de
Sun-Area,
ArcGIS
Desktop
Mapbender
USA
Boston http://gis.cityofboston.gov/
solarboston/
ArcGIS
Desktop
Esri ArcGIS
API
Denver http://solarmap.drcog.org/ Woolpert Inc.,
NREL
Google Maps
API
Los Angeles
County
http://solarmap.lacounty.gov/ CH2M Hill,
NREL
Bing Maps API
San Francisco http://sfenergymap.org/ CH2M Hill,
NREL
Google Maps
API
Page 29
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 29
4.1.1. Fotowoltaiczny Geograficzny System Informacji PVGIS
(Photovoltaic Geographical Information System)
Co to jest PVGIS?
W celu analizy słonecznych geoportali z różnych stron świata,
należy omówić najprostszą wersję stworzoną dla Europy
i Afryki wraz z basenem Morza Śródziemnego i Azją Południowo-
Zachodnią - Photovoltaic Geographical Information System.
Jest to program do obliczania bazy promieniowania słonecznego
dla osób zainteresowanych instalacją ogniw fotowoltaicznych. PVGIS
jest efektem badań, demonstracji i polityki mających na celu wsparcie
i propagowanie wykorzystania zasobów energii słonecznej. Jest częścią
projektu SOLAREC3, czyli działań na rzecz misji "JRC Renewable
Energies Unit"4. System był tworzony w latach 2001-2005, przy użyciu
modelu słonecznego promieniowania i danych klimatycznych. Użyte
tutaj oprogramowanie GIS, opiera się na wykorzystaniu
promieniowania słonecznego modelu r.sun, który stanowi część
systemu informacji przestrzennej GRASS5. Moduł ten pozwala
na obliczenie natężenia promieniowania bezpośredniego, odbitego
i rozproszonego [Pietras, 2011; www.ec.europa.eu/dgs/jrc;
www.unfccc.int].
3 SOLAREC - projekt przyczyniający się do popularyzowania oraz wdrażania energii odnawialnej
w Unii Europejskiej. W zakres projektu wchodzą m.in. szkolenia i rozpowszechnianie najlepszych
praktyk z tego zakresu, monitorowanie nowych technologii w dziedzinie OZE, a także pomoc
w realizacji Set-Planu ("The Information System for the European Strategic Energy Technology
Plan", w tłumaczeniu "System informacji dla europejskiego planu w dziedzinie technologii
energetycznych") [www.re.jrc.ec.europa.eu]. 4 JRC Renewable Energies Unit - Wspólne Centrum Badawcze jest Dyrekcją Generalną Komisji
Europejskiej, w skład którego wchodzi siedem instytutów naukowych zlokalizowanych w Belgii,
Niemczech, Hiszpanii, Holandii i Włoszech. Misją jest zapewnienie wsparcia naukowego
i technicznego dla rozwoju, wdrażania i monitorowania polityki Unii Europejskiej [Kurczyński,
2006]. 5 GRASS (Geographic Resources Analysis systemowe wsparcie) - to darmowy program GIS
wykorzystywany do zarządzania i oceny danych geoprzestrzennych, przetwarzanie obrazu, grafiki
i mapy, modelowania przestrzennego i wizualizacji [www.grass.osgeo.org].
Page 30
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 30
Dane wykorzystane do stworzenia PVGIS dla Europy
to [www.ec.europa.eu/dgs/jrc]:
średnie miesięczne sumy dziennego promieniowania
bezpośredniego i rozproszonego, dane zebrane z okresu
1981-1990 z 566 naziemnych stacji meteorologicznych,
współczynnik zmętnienia Linkego dostępny na SODA6, będący
miarą zanieczyszczenia powietrza (w postaci mapy),
cyfrowy model terenu o siatce 1 x 1 km pochodzący z SRTM7,
mapa CORINE Land Cover (CLC)8 z siatką rozdzielczości
100 x 100 m,
mapa Global Land Cover 2000, model pokrycia terenu
roślinnością,
mapa z bazy danych GISCO9,
VMAP0 cyfrowy wykres danych świata, inaczej mapa wektorowa
oparta na systemie informacji geograficznej danych o Ziemi
o szczegółowości 0, gdzie 0 oznacza niską rozdzielczość,
1 - globalny zasięg w średniej rozdzielczości.
Obsługa programu
Program PVGIS jest dość trudny w obsłudze dla przeciętnego
użytkownika niezwiązanego z dziedziną ogniw fotowoltaicznych.
W pierwszym kroku wybieramy na odpowiedniej mapie
(Europa/Afryka) lokalizację budynku, dla którego chcemy sprawdzić
dane promieniowania słonecznego, poprzez wpisanie w ramce
6 SODA - internetowy serwis zapewniający dostęp do zbioru informacji na temat promieniowania
słonecznego [www.soda-is.com]. 7 SRTM - międzynarodowa misja kosmiczna, której celem było zebranie numerycznych modeli terenu
lądów znajdujących sie pomiędzy 56º szerokości geograficznej południowej, a 60º równoleżnikiem
szerokości geograficznej północnej [Kurczyński, 2006]. 8 CORINE Land Cover - projekt mający na celu ciągłe aktualizowanie zmian w pokryciu terenu
[www.clc.gios.gov.pl]. 9 GISCO - system informacji geograficznej w Komisji Europejskiej, zajmuje się nabywaniem
i utrzymywaniem bazy referencyjnych zbiorów danych geograficznych, a także ich analizowaniem
[www.epp.eurostat.ec.europa.eu]
Page 31
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 31
adresu: ulicy, miasta i nazwy kraju lub współrzędnych geograficznych.
Ramka oznaczona kolorem czerwonym na rysunku 4.1 znajduje się
w lewym górnym rogu ekranu. Po wciśnięciu "search" PVGIS odnajduje
naszą lokalizację na mapie.
Rysunek 4.1. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps.
Czerwonym kolorem zaznaczone miejsce na wpisanie poszukiwanego adresu
[Źródło: www.re.jrc.ec.europa.eu]
Po prawej stronie ekranu widoczna jest ramka z czterema zakładkami
(rysunek 4.2). Pierwsza zakładka dotyczy oszacowania ogniwa
fotowoltaicznego jakie chcemy zainstalować na dachu budynku.
Rysunek 4.2. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps A -
Perfomrmance of Grid - connected PV (wykonanie podłączonego PV), B - Fixed
mounting options - opcje montażu, C - Tracking options - opcje śledzenia, D - utput
options - opcje wyjścia [Źródło: www.re.jrc.ec.europa.eu]
Page 32
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 32
A. Performance of Grid - connected PV (wykonanie podłączonego
PV)
Radiaton database to baza promieniowania jaką musimy wybrać.
Do wyboru jest Klimat-SAF PVGIS i klasyczne PVGIS. Możliwość
wyboru jednej z tych dwóch opcji została wprowadzona w 2010 roku,
gdyż zarówno pierwsza jak i druga ma wady i zalety.
Klimat-SAF PVGIS jest to metoda oceny promieniowania słonecznego
na powierzchni ziemi przy użyciu danych z satelity. Zaletą jest zebranie
danych z dość dużych obszarów, a wadą może być śnieg, który może
być mylony z chmurami lub tereny górskie, gdzie pod jednym pikselem
mamy obszar z ogromnymi różnicami wysokości. Obliczenia satelitarne
na obszarach, gdzie słońce jest nisko na niebie stają się bardzo trudne.
Klasyczne PVGIS są to naziemne pomiary promieniowania słonecznego.
Czujniki na stacjach muszą być stale konserwowane. Brud, śnieg, a także
mróz mogą powodować wadliwe zbyt niskie odczyty. Natomiast dużą
zaletą jest dokładność odczytu promieniowania w określonym miejscu.
PV technology, czyli wybór typu ogniwa fotowoltaicznego: krystaliczny
krzem, CIS (dwuselenek indowo-miedziowy CuInSe2), CdTe (tellurek
kadmu), inne.
Insatelled peak PV power zainstalowana moc szczytowa PV w kWp,
do tego potrzebna jest informacja jaką producent deklaruje dla danego
ogniwa.
Estimated system losses [1-100] szacowane starty systemowe, tutaj
system podpowiada, że generalnie jest to 14%. Straty mogą być
spowodowane przesyłem przez kable, brudem, śniegiem. Natomiast,
każdy producent ogniw fotowoltaicznych, zna straty systemowe swojego
urządzenia, wtedy można zmienić tą wartość na inną.
B. Fixed mounting options (opcje montażu)
Mounting position - wybór pozycji montażu: wolnostojąca
(z przepływem powietrza za modułem) albo budowa zintegrowana
(bezpośrednio zamontowane na elewacji bądź dachu).
Slope - nachylenie modułu, przy budowie zintegrowanej może to być
skos dachu lub 90º dla elewacji.
Page 33
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 33
Azimuth - ukierunkowanie względem stron świata.
C. Tracking options (opcje śledzenia). Możliwe jest zamontowanie
ogniw fotowoltaicznych, które w ciągu dnia będą obracały się do słońca.
W ten sposób można zwiększyć ilość światła słonecznego docierającego
do modułów PV.
Horizon file, plik który dołączamy wtedy, gdy w odległości bliższej niż
90 metrów wokół naszego budynku znajdują się np. bardzo wysokie
drzewa albo inne elementy, które mogą dawać zacienienie. Plik wysłany
poprzez stronę musi być zwykłym plikiem tekstowym np. notatnik
w systemie Windows.
D. Output options (opcje wyjścia) wybór formy w jakiej chcemy
otrzymać wynik (strona internetowa, plik tekstowy, PDF) oraz
czy chcemy, aby były dołączone wykresy.
Kolejne dwie zakładki w programie dotyczą średnich
miesięcznych i dziennych danych napromieniowania dla wybranej
lokalizacji. Zaznacza się tu opcje, które mają być wyświetlone
w wyniku, np.: poziom napromieniowania, średnią temperaturę w dzień.
Wynik może być ukazany w odniesieniu do konkretnego miesiąca.
Ostatnia zakładka, jest przeznaczona dla osób, które
są zainteresowane wolnostojącymi ogniwami fotowoltaicznymi
podłączonymi do akumulatorów (Stand-Alone PV System). Tutaj
dokładnie tak samo jak w pierwszej zakładce, wybieramy moc
szczytową, azymut, pochylenie, dodatkowo uzupełniamy tylko dane
dotyczące akumulatora: napięcie (V), pojemność (Ah) i granica
rozładowania (%). Wybór formy otrzymania wyniku również jest
taki sam, czyli: strona internetowa, plik tekstowy, PDF.
Plusem programu jest ogromny obszar w bazie, a także duży
wachlarz poszczególnych danych napromieniowania jakie można
odczytać z danego miejsca. Minus - program wymaga od użytkownika
wpisania dokładnych wartości katalogowych producenta ogniwa, co
może być trudne do uzyskania i wymaga znajomości pojęć z geodezji,
geografii i fizyki [www.re.jrc.ec.europa.eu].
Page 34
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 34
4.1.2. Słoneczny kataster - Boston (City of Boston.gov)
Mapa solarna miasta Boston powstała z inicjatywy rządowej,
której założeniem jest zmniejszenie do 2020 roku emisji gazów
cieplarnianych o 25%. Po wejściu na oficjalną stronę miasta
(www.cityofboston.gov) w menu strony klikamy odnośnik "Maps"
ukazuje się szereg map, a w tym szukana "Solar Map". Na docelowej
karcie ukazany jest cel, a także obecna realizacja programu. Oprócz
pomocy użytkownikowi w oszacowaniu energii słonecznej oraz
zobrazowaniu potencjalnej wartości instalacji solarnej, znajduje tu się
również szereg informacji o samych panelach, o tym co trzeba wiedzieć
przed instalacją itp.
Mapa solarna powstała w rozwiązaniu desktopowym ArcGIS
firmy ESRI, które pozwala na tworzenie, edytowanie i analizowanie
danych. Obliczenie promieniowania słonecznego zostało wyliczone
w rozszerzeniu Solar Analyst. Geoportal zawiera trzy nakładki
informujące użytkownika o [www.cityofboston.gov]:
strefie zabytków, gdzie jest konieczne uzyskanie dodatkowych
pozwoleń,
sieci elektrycznej NSTAR, gdzie wybudowanie instalacji
fotowoltaicznej może być ograniczone,
przydatności dachu pod instalacje, gdzie za pomocą intensywności
koloru od żółtego do czerwonego ukazane jest całkowite roczne
promieniowanie na dachu.
Boston ukazany jest w postaci zdjęć lotniczych na rysunku 4.3
oraz obrazu ulic, czyli mapy na rysunku 4.4 lub mapy z ukazaniem
rzeźby terenu - rysunek 4.5.
Page 35
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 35
Rysunek 4.3. Zdjęcia lotnicze, City of Boston [Źródło: www.cityofboston.gov]
Na każdej zakładce symbolem "słońca" (oznaczone na rys.4.4 jako A),
zaznaczone są miejsca już istniejących instalacji. Po najechaniu
na symbol kursorem, ukazują się dane odnośnie lokalizacji, typie
instalacji solarnej, mocy, a także firmie instalującej, niektóre opisy
wzbogacone są o zdjęcie budynku z zamontowanymi kolektorami, bądź
ogniwami.
Rysunek 4.4. Mapa ulic, City of Boston [Źródło: www.cityofboston.gov]
A
Page 36
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 36
Rysunke 4.5. Teren, City of Boston [Źródło: www.cityofboston.gov]
Używając zakładki TOOLS zaznaczonej na rysunku 4.5 kolorem
czerwonym, program oblicza słoneczny potencjał wybranego budynku
lub danego obszaru w ciągu roku. Wystarczy wpisać odpowiedni adres
lub zaznaczyć miejsce na mapie kursorem. Ciekawa jest kalkulacja
przedstawiona na rysunku 4.6, gdzie możemy przeanalizować jaki
potencjał solarny będzie miał nasz dach po przekazaniu pod zabudowę
konkretnej powierzchni wyrażonej w procentach.
Rysunek 4.6. Opcja "Calculations" do obliczenia potencjału solarnego dachu, City of
Boston [Źródło: www.cityofboston.gov]
Page 37
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 37
Geoportal niestety utworzony jest w modelu o szczegółowości
CityGML LoD110
, który zakłada, że każdy dach jest płaski. Jest to duży
minus. Instalacje przy dachu skośnym skierowanym w kierunku
północnym nie sprawdzają się. Co prawda w zakładkach przeznaczonych
do solarnych kalkulacji, wyliczona jest powierzchnia jaka nadaje się
pod zabudowę, jednak uwzględnione tu są tylko przeszkody
np. w postaci kominów. Dach dalej jest przyjęty jako płaski. Powoduje
to, że użytkownik i tak musi posiłkować się firmami zewnętrznymi
do założenia kolektorów, bądź ogniw na swoim domu.
4.1.3. Słoneczny kataster - Wiedeń (Wien Umweltgut:
Solarpotenzialkataster)
Geoportal solarny dla Wiednia, umieszczony jest na oficjalnej
internetowej stronie miasta w zakładce" Umweltgut". Program obejmuje
potencjał energii słonecznej dla produkcji ciepła jak i energii
elektrycznej.
Słoneczny kataster powstał dzięki zastosowaniu danych ALS
zapisanych w postaci GRID o oczku siatki 0,5 m. Znalezienie tej
aplikacji internetowej i jej obsługa, są bardzo proste
dla potencjalnego użytkownika. Program ocenia orientację oraz
nachylenie powierzchni dachu, zacienienie wywołane przez roślinność,
budynki, a także rzeźbę terenu. Promieniowanie bezpośrednie jak
i rozproszone z okresu 18 lat, zostało uśrednione. Na mapie ukazane jest
tylko nasłonecznienie powyżej 900 kWh/m2 [www.wien.at].
10
CityGML - jest to skala będąca odzwierciedleniem szczegółowości modeli budynków,
aby wyróżnić zaawansowanie modelu 3D. Jest pięć poziomów dokładności Level of Detail (LoD)
[Kolbe, 2005]:
LoD0 - 2,5D numeryczny model terenu, LoD1 proste bryły z płaskimi dachami, LoD2 - konstrukcje
dachowe teksturowane, zróżnicowane, LoD3 - szczegółowość architektury (drzwi, okna, otwory)
LoD4 - bardzo dokładne odwzorowanie z zewnątrz jak i wewnątrz.
Page 38
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 38
Po kliknięciu kursorem na konkretny budynek, ukazuje się informacja
o potencjale solarnym tego obiektu co widać na rysunku 4.7.
Rysunek 4.7. Słoneczny kataster dla miasta Wiedeń. A - przydatność powierzchni
dachu w m2; B - wydajność z powierzchni dachu w kWh rocznie; C - legenda
[Źródło: www.wien.at]
W tym przypadku nieruchomość na Wallensteinstraße 53 ma 142 m2
bardzo dobrej (>1100 kWh/m2
na rok), oraz 66 m2
dobrej (900-1100
kWh/m2
na rok) przydatności dachu pod instalację solarną (A).
Wydajność roczna dla fotowoltaiki to 32736 kWh, a dla kolektorów
207533 kWh (B).
Portal solarny dla Wiednia bazuje na modelu uwzględniającym
rzeczywisty kształt dachu, wyznaczony na podstawie szczegółowości
CityGML LoD2, dzięki czemu wiemy dokładnie, która część dachu
nadaje się najbardziej pod instalacje.
Innsbruck Laser DaneGmbH to firma, która wykonała mapę
potencjału solarnego dla stolicy Austrii, jest to jedna z najlepiej
przygotowanych, czytelnych i posiadających najwięcej informacji map
solarnych. Osoba zainteresowana montażem instalacji może również
odczytać z niej, czy do zamontowania instalacji solarnej potrzebuje
dodatkowych zezwoleń na budowę, bądź musi się stosować do
określonych przepisów prawnych (rysunek 4.7 - C) [www.wien.at].
A
B
C
Page 39
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 39
4.2. Słoneczny kataster na Świecie - podsumowanie
Najbardziej ubogi w technologii jest omówiony wcześniej PVGIS,
stworzony na NMT, bez oznaczeń graficznych. Jest on również
najtrudniejszy w obsłudze. Obejmuje on jednak swoim zasięgiem dwa
kontynenty, dzięki czemu może być pomocny przy wstępnych
rozważaniach montażu ogniw fotowoltaicznych w krajach, w których
nie powstały jeszcze mapy słoneczne dla poszczególnych miast.
Biorąc pod uwagę szczegółowość, zaczynając od najmniej
dokładnej - LoD1, trzeba tu przypomnieć portal solarny dla miasta
Boston. Budynki to bryły z płaskimi dachami. Warto wspomnieć
o mapie solarnej dla miasta Berlin. Użytkownik wybiera wiele opcji:
przydatność całego dachu 2D (rysunek 4.8) i 3D (rysunek 4.10), a także
określenie w trzystopniowej skali barw najkorzystniejszego miejsca
na dachu pod instalacje solarne, co przedstawia rysunek 4.9.
Wykorzystana jest tutaj szczegółowość o poziom wyżej niż
w przypadku miasta Boston, czyli CityGML LoD2.
Rysunek 4.8. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - przydatność całego dachu
pod instalacje solarne [Źródło: www.businesslocationcenter.de]
Rysunek 4.9. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - ukazanie najkorzystniejszego
miejsca pod instalacje solarne [Źródło: www.businesslocationcenter.de]
Page 40
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 40
Bardzo ciekawa propozycja świadcząca o majstersztyku
i zaangażowaniu w to aby strona internetowa była ciekawa dla odbiorcy,
to słoneczny kataster Berlina wykorzystujący wizualizacje
trójwymiarową (rysunek 4.10).
Rysunek 4.10. Słoneczny kataster dla miasta Berlin, wersja trójwymiarowa [Źródło:
www.businesslocationcenter.de]
Szczegółowość na pierwszym miejscu, gdzie każdy metr
kwadratowy dachu jest określony pod względem korzystności montażu
paneli to portal dla Los Angeles przedstawiony na rysunku 4.11, portal
dla Bielefeld, Wiednia oraz Graz (rysunek 4.12).
Rysunek 4.11. Słoneczny kataster dla miasta Los Angeles [Źródło:
www.solarmap.lacounty.gov]
Page 41
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 41
Rysunek 4.12. Słoneczny kataster dla miasta Graz [Źródło: www.gis.graz.at]
Rysunek 4.13. Słoneczny kataster dla miasta Monachium [Źródło:
www.maps.meunchen.de]
Monachium wprowadziło słoneczny kataster, który również rozróżnia
typy dachów jednak ich rozwiązanie jest mało czytelne i mało
praktyczne dla osoby, która zdecydowałaby się na samodzielny montaż
kolektorów. Portal solarny dla miasta Monachium został przedstawiony
na rysunku 4.13.
Jak pokazano są różne typy słonecznych katastrów. Różnice
wynikają z doboru danych, szczegółowości modelu, informacji
przedstawianych na stronie, szacie graficznej. Wszystkie jednak mają
za zadanie propagowanie wykorzystania energii odnawialnej
pochodzącej od Słońca i oszacowanie wydajności przyszłej instalacji.
Page 42
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 42
4.3. Słoneczny kataster w Polsce
W Polsce niestety żadne miasto nie doczekało się portalu
internetowego, na którym umieszczona byłaby mapa potencjału
solarnego. Warszawa może się jednak poszczycić projektem
pilotażowym przygotowanym przez firmę ESRI. Koncepcja obejmuje
40 km2 miasta. Wykorzystane NMPT to pliki binarne zawierające
chmurę punktów, pozyskane z lotniczego skaningu laserowego. Do tego
celu użyto model o szczegółowości CityGML LoD2 oraz dane
meteorologiczne z dwóch miesięcy: stycznia i lipca. Dzięki programowi
można poznać potencjalną powierzchnię dla kolektorów słonecznych
oraz potencjalną moc uzyskiwaną z fotowoltaiki. Występuje tu również
wartość określająca redukcję emisji dwutlenku węgla. Wizualizację
przedstawia rysunek 4.14 [Sukiennik, 2013].
Rysunek 4.14. Potencjał solarny dachów wybranych obiektów Warszawy -
wizualizacja w aplikacji ArcScene [Źródło: Sukiennik, 2013]
Zakład Klimatologii i Ochrony Atmosfery Uniwersytetu
Wrocławskiego również chce propagować instalacje solarne. W ramach
pracy doktorskiej Pani Małgorzaty Pietras pt.: "Możliwości redukcji
zanieczyszczeń atmosferycznych przez zastosowanie kolektorów
Page 43
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 43
słonecznych w budownictwie jednorodzinnym na obszarze
Województwa Dolnośląskiego" wykonana została mapa potencjału
solarnego dzielnicy Dąbie we Wrocławiu. Do analizy użyto programu
GRASS GIS [Pietras, 2012].
Żaden z powyższych przykładów w pełni nie jest udostępniony
dla potencjalnego użytkownika w Internecie. Jest jednak coraz więcej
firm w Polsce, które posiadają w swoim wachlarzu ofert, usługę
tworzenia map potencjału solarnego dachów budynków.
Page 44
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 44
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
5. Bydgoszcz
Bydgoszcz jest jednym z największych miast w Polsce, położona
w jej północnej części w miejscu, gdzie rzeka Brda wpływa do Wisły
(rys. 5.1). Powierzchnia miasta to ok. 176 km2
, a liczba ludności
przekracza 363 tyś [www.bydgoszcz.pl].
Rysunek 5.1. Lokalizacja miasta Bydgoszcz w Polsce [Źródło: www.wikitravel.org]
5.1. Klimat w Bydgoszczy
Temperatura powietrza w ciągu roku wynosi średnio +8,4°C.
W lipcu średnia temperatura to +18,3°C, a w styczniu -2,3°C. Roczna
średnia suma opadów, które wpływają na zachmurzenie nieba wynosi
512mm, jest to niski wynik, ale mocno zróżnicowany rocznie.
Usłonecznienie wynosi 1509 godzin, co daje wyższy wynik od średniej
krajowej [Budzyński, 2010].
5.2. Ograniczenie emisji CO2 w Bydgoszczy
Bydgoszcz bierze udział w europejskim projekcie LAKS -
Lokalna Odpowiedzialność za Realizację Protokołu z Kioto (Local
Accountability for Kyoto goalS), którego głównym założeniem jest
Page 45
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 45
ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20% (poziom porównawczy
to rok 2005) z terenu miasta Bydgoszczy do roku 2020. Ważne jest
to, aby w dobry sposób analizować, planować i zmniejszać
oddziaływanie środowiskowe miast na zmiany klimatyczne. Bydgoszcz
wraz z włoskimi miastami Reggio Emilia i Padwa, hiszpańską Gironą,
a także z Agencją Ochrony Środowiska ARPA z Włoch, stara się
przygotować innym miastom europejskim gotowy model służący do:
monitorowania emisji CO2, oceniania oddziaływania substancji
szkodzących na środowisko, podejmowania czynów naprawczych
oraz tworzenie raportów osiągniętych wyników. Jednym z działań, które
pomogą osiągnąć ten cel ma być podwyższenie efektywności
energetycznej w budynkach publicznych. Tylko do roku 2014 zostały już
przeprowadzone warsztaty, które zwiększają świadomość mieszkańców
na przykład "Jak być eko, jak oszczędzać?", kampanie tematyczne
z Fundacją Aeris Futuro z Krakowa, szkolenia w temacie edukacji
ekologicznej w ramach projektu "3x20net - Europejska Inicjatywa
w Celu Redukcji Emisji CO2 - Edukacja Ekologiczna" (European
Approach Towards CO2 Emissions redution Through Awereness Raising
Actions). Wprowadzony został również plan działań SEAP (Sustainable
Energy Action Plan) na rzecz zrównoważonej energii, którego zadaniem
jest pokazanie czynności i uwarunkowań pomocnych przy redukcji
energii finalnej na terenie miasta Bydgoszczy, dzięki czemu nastąpi
spadek CO2. Do podsumowania pracy służy raport o nazwie Bilans
Klimatyczny, oceniający postępy w realizacji działań klimatycznych
w Bydgoszczy. Miasto także bierze udział w projekcie CEC5
"Demonstracja efektywności energetycznej i wykorzystanie
odnawialnych źródeł energii w budynkach publicznych", dzięki czemu
w lipcu 2013 roku ruszyła budowa budynku pasywnego przy Zespole
Szkół Mechanicznych nr 2 w Bydgoszczy. W roku 2013 miasto
zakwalifikowało się do drugiego etapu realizacji projektu CASCADE,
gdzie uczestnicy projektu wymieniają sie doświadczeniami z zakresu
lokalnego zarządzania energią, wzajemnie ucząc się od siebie.
Page 46
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 46
Bydgoszcz posiada idealne przygotowanie do wprowadzenia mapy
potencjału solarnego posiadając już geoportal z mapą akustyczną miasta
[www.czystabydgoszcz.pl].
5.3. Dofinansowanie instalacji solarnych w Bydgoszczy
W Bydgoszczy wdrożono w życie program dofinansowania
do 70% kosztów zakupu i montaż zestawów solarnych, mający na celu
propagowanie odnawialnych źródeł energii wśród mieszkańców,
zarówno mieszkających w domach jak i w budynkach wielorodzinnych.
Koncepcja również ma za zadanie dostarczyć wyniki działania
kolektorów słonecznych zainstalowanych w ramach tego
przedsięwzięcia. Program zaistniał dzięki autorskiemu pomysłowi
HETMAN EKO Sp. z o.o., firmy proekologicznej mającej w swojej
misji doradztwo i pomoc w zakresie pozyskiwania środków
na inwestycje ekologiczne. Ulotka do tego programu została
przedstawiona na rysunku 5.2 [www.czystabydgoszcz.pl].
Rysunek 5.2. Ulotka informacyjna " Program dofinansowania do 70% na zakup
i montaż zestawów solarnych" [Źródło: www.czystabydgoszcz.pl]
Page 47
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 47
6. Wykorzystanie programu PVGIS dla instalacji
fotowoltaicznej zamontowanej na dachu Uniwersytety
Technologiczno - Przyrodniczego w Bydgoszczy
W sierpniu 2005 roku na Wydziale Inżynierii Mechanicznej
Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy powstała
stacja badawcza monitorująca pracę i efektywność instalacji kolektorów
słonecznych. W roku 2013 ten sam Wydział zdecydował się
na utworzenie podobnego stanowiska dotyczącego ogniw
fotowoltaicznych. Instalacja jeszcze nie jest uruchomiona, a planowany
rozruch przewidziany jest na maj 2014r. Obecnie uzyskując dane
od firmy montującej GREEN SYNERGY Sp. z o.o., oraz wykorzystując
program Photovoltaic Geographical Information System już możemy
poznać szacowane wyniki instalacji [www.oze.utp.edu.pl].
Potrzebne dane wprowadzone do programu PVGIS to:
- technologia PV,
- szacowane straty systemowe,
- zainstalowana moc szczytowa PV,
- pozycja montażu (wolno-stojąca lub zintegrowana z budynkiem),
- nachylenie,
- azymut,
- opcje śledzenia,
- informacje na temat przeszkód znajdujących się na horyzoncie.
Dane oraz zdjęcia instalacji PV (rys. 6.1) na UTP zostały
przekazane dzięki uprzejmości Pana Łukasza Trzeciaka z firmy GREEN
SUNERGY Sp. z o.o.. Szczegóły instalacji:
- PV - moduł BYD 245P6-30 (18szt.), moduły polikrystaliczne,
o wymiarach 1640 mm - 992 mm - 40 mm,
- 18 x 245 Wp co daje łącznie 4410Wp (4,41 kWp),
- pozycja wolno-stojąca, z przepływem powietrza za modułem,
- nachylenie 18°,
- azymut 5° na zachód,
- opcje śledzenia - brak,
Page 48
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 48
- wokół budynku nie znajdują się przeszkody mające znaczący wpływ na
działanie ogniw fotowoltaicznych.
Rysunek 6.1. Moduły ogniw fotowoltaicznych na dachu UTP w Bydgoszczy
[Źródło: GREEN SYNERGY Sp. z o.o., 2013]
Parametr taki jak szacowane straty systemowe został przyjęty
opcjonalnie przez program, gdyż producent nie dostarczył tej wartości.
Po uzyskaniu kompletu danych, wprowadzono je do PVGIS co widać na
rysunku 6.2, następnie po wciśnięciu ikonki "calculate" otrzymano
wynik, przedstawiony na rysunku 6.3.
Rysunek 6.2. Miejsce lokalizacji ogniw fotowoltaicznych na UTP w Bydgoszczy.
Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps [Źródło:
www.re.jrc.ec.europa.eu]
Page 49
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 49
Rysunek 6.3. Wynik uzyskany po wprowadzeniu danych do Photovoltaic
Geographical Information System - Interactive maps, w porównaniu z danymi
opublikowanymi przez Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju, gdzie: Ed - średnia
dzienna produkcja energii elektrycznej z danego systemu (kWh), Em - średnia
miesięczna produkcja energii elektrycznej z danego systemu (kWh) Hd - średnia
dzienna suma globalnego napromieniowania na m2 otrzymana przez moduł danego
systemu (kWh/m2), Hm - średnia suma globalnego napromieniowania na m
2
otrzymana przez moduł danego systemu (kWh/m2), ITH - suma całkowitego
natężenia promieniowania na powierzchnię poziomą (Wh/m2) [Źródło:
www.re.jrc.ec.europa.eu; www.mir.gov.pl]
Średnia suma globalnego napromieniowania na m2 otrzymana
przez moduł danego systemu w kWh/m2 (Hm) jest obliczana
na podstawie średnich sum dziennego promieniowania bezpośredniego
Page 50
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 50
i rozproszonego z okresu 1981 - 1990. Chcąc sprawdzić wiarygodność
wyników obliczonych przez program PVGIS, na rysunku 6.3 zestawiono
je z danymi opublikowanymi przez Ministerstwo Infrastruktury
i Rozwoju prezentującym statystyczne dane klimatyczne dla obszaru
Bydgoszczy do obliczeń energetycznych budynków z lat 1971 - 2000
(ITH - suma całkowitego natężenia promieniowania na powierzchnię
poziomą Wh/m2). Gdyby w kolumnie ITH zamienić jednostki
na kWh/m2, czyli podzielić wartości przez 1000, obserwuje się różnice,
jednak w ogólnym zarysie rocznym wartości są podobne.
Ze stacji ogniw fotowoltaicznych zainstalowanych na UTP można
uzyskać rocznie 4060 kWh. Dla porównania gospodarstwo domowe
złożone z 4 członków rodziny zużywa rocznie średnio 1900 kWh
[www.bibliotekarz.net], tutaj pokazano przykład dużo większej instalacji
na potrzeby Wydziały Inżynierii Mechanicznej i do celów badawczych.
Dopóki projekt nie zostanie uruchomiony, nie można stwierdzić
czy energia obliczona będzie zbliżona do uzyskanej. Natomiast znając
dane producenta ogniw fotowoltaicznych i stosując program PVGIS
można dowiedzieć się, jeszcze przed montażem, czy instalacja będzie
opłacalna.
Page 51
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 51
7. Stworzenie słonecznego katastru dla fragmentu dzielnicy
Glinki w Bydgoszczy, dzięki zastosowania narzędzia Solar Radiation
programu ArcGIS
Dane ze skaningu laserowego pozyskano z Centralnego Ośrodka
Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. Do opracowania
słonecznego katastru w programie ArcGIS - ArcMap 10, najlepiej użyć
numeryczny model pokrycia terenu w formacie ARC/INFO ASCII
GRID, w przeciwnym razie plik trzeba będzie poddać dodatkowym
przekształceniom. Do analizy wybrano NMPT o numerze zapisanym
w skorowidzu numerycznych danych wysokościowych jako
N-34-97-C-a-3-1 i z tego obszaru wybrano teren wzdłuż ul. Glinki
w Bydgoszczy przedstawiony na rysunku 7.1.
Rysunek 7.1. Obszar opracowania [Źródło: mapy.geoportal.gov.pl]
Page 52
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 52
7.1. Opis programu
ArcGIS for Desktop to oprogramowanie proponowane przez firmę
Esri umożliwiające tworzenie, edytowanie i analizowanie wszystkich
informacji geograficznych. Wszystkie wyniki można udostępniać
w specjalnie do tego celu stworzonej platformie ArcGIS Online, co
sprawia, że dzielenie się danymi nie ogranicza się do jednej instytucji,
ale otworzyć je może użytkownik ArcGis na całym świecie. Program
nie tylko posiada gotowe narzędzia, ale także pozwala tworzyć nowe
modele i kompletne procesy pracy. Przykładów zastosowań jest wiele:
GOPR - do zawężania obszarów poszukiwań osób zaginionych
w górach,
Policja - analizowanie obszarów przestępstw,
Inwestycje - poszukiwanie najlepszego miejsca pod sklep,
winnice, mieszkanie itp.,
Firma statystyczna - przeprowadzanie wszelkiego rodzaju
statystyk np.: ludności, zatrudnienia,
Straż Pożarna - przedstawienie na mapie obszarów zagrożonych
pożarem, powodzią, suszą.
ArcMap to aplikacja ArcGIS for Desktop służąca do edycji oraz
tworzenia analiz map. Program pracuje zarówno na danych
wektorowych jak i rastrowych. Pozwala także na ich transformację z
jednych w drugie [esri.pl].
Page 53
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 53
7.2. Praca w programie
Po uruchomieniu aplikacji ArcMap konieczne jest wczytanie
mapy bazowej, która będzie służyła jako tło dla wynikowego rastra.
Mapy bazowe są w pakiecie programu, wszystkie zostały przedstawione
na rysunku 7.2. Do projektu zostało użyte zdjęcie satelitarne świata
oznaczona na rysunku 7.2 literą a).
Rysunek 7.2. Mapy bazowe programu ArcMap, obszar - cała Ziemia: a) zdjęcie
satelitarne, b) mapa ulic, c) mapa topograficzna, d) mapa wysokościowa
z cieniowaniem, e) mapa fizyczna, f) mapa terenu, g) mapa gruntów, h) bazowa
mapa oceanów, i) mapa bazowa, z ograniczoną ilością kolorów, j) mapa do celów
edukacyjnych [Źródło: www.esri.com]
Page 54
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 54
Po przygotowaniu odpowiedniego podkładu, należy skonwertować raster
na którym będzie przeprowadzana analiza. W tym celu wybrano
z zakładki ArcToolbox narzędzie "ASCII
to Raster" (ścieżka dostępu została
przedstawiona na rysunku 7.4).
Konwersja pliku pozwala na późniejsze
przetwarzanie nowo stworzonego rastra.
Kolejną czynnością jest przypisanie
układu współrzędnych. CODGiK
na swojej stronie internetowej podaje,
iż wszystkie dane wysokościowe
są wykonane w układzie współrzędnych
płaskich prostokątnych "1992",
a wysokości odnoszą się
do układu wysokości normalnych
"Kronsztad 86". Następnie trzeba wybrać
obszar, na którym będzie przeprowadzana
analiza i stworzyć z niego nową warstwę,
a pozostałe usunąć. Pomaga to
w skróceniu czasu realizacji projektu
do minimum. Duże obszary na przykład
całego miasta, wydłużają czas pracy programu nawet do kilku dni. Tak
otrzymany obszar w formacie rastrowym przedstawiony został
na rysunku 7.3.
Rysunek 7.3. Obszar
opracowania jako NMPT
w formacie ARC/INFO
ASCII GRID. Widok po
użyciu narzędzia "ASCII
to Raster" [Źródło:
ArcMap 10]
Rysunek 7.4. Zakładka
ArcToolbox, z zaznaczonym
narzędziem do przekształcania
pliku w formacie ARC/INFO
ASCII GRID do rastra
[Źródło: ArcMap 10]
Page 55
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 55
Jeżeli obszar projektu jest już zdefiniowany, można przystąpić
do analizy potencjału solarnego. Narzędzia służące do analiz
słonecznych pozwalają ocenić wpływ słońca na dany obszar. W zakładce
ArcToolbox wybieramy Spatial Analyst Tool, a następnie opcję Solar
Radiation -> Area Solar Radiation, służącą do wyliczania
promieniowania z powierzchni rastrowych. W oknie dialogowym Area
Solar Radiation konieczne jest zweryfikowanie danych, w przeciwnym
przypadku program sam wybiera opcjonalne wartości. Po wykonaniu tej
czynności, otrzymujemy cztery wyniki w postaci rastrowej ukazujące:
promieniowanie bezpośrednie (Wh/m2) - rys. 7.5a,
promieniowanie rozproszone (Wh/m2) - rys. 7.5b,
czas promieniowania dochodzącego do powierzchni ziemi (h) -
rys. 7.5c ,
promieniowanie globalne (Wh/m2), obliczane jako suma
bezpośredniego i rozproszonego - rys. 7.5d.
Rysunek 7.5. Rastry wynikowe po zastosowaniu narzędzia Area Solar Radiation: a)
promieniowanie bezpośrednie; b) promieniowanie rozproszone, c) czas
promieniowania dochodzącego do powierzchni Ziemi, d) promieniowanie globalne
[Źródło: ArcMap 10]
Page 56
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 56
Do późniejszej analizy wybrano raster z promieniowaniem globalnym
(rys. 7.5 d), które sklasyfikowano na 3 grupy (rysunek 7.6):
- niekorzystne < 900 kWh/m2,
- dobre 900 - 1100 kWh/m2,
- bardzo dobre > 1100 kWh/m2.
Rysunek 7.6. Promieniowanie globalne sklasyfikowane na 3 grupy: bardzo dobre
(kolor czerwony), dobre (kolor pomarańczowy), niekorzystne (kolor biały) [Źródło:
ArcMap 10]
Słoneczny kataster powinien mieć oznaczone promieniowanie słoneczne
tylko na dachach budynków, należy więc pozostawić wypełnienie
kolorem tylko w tych miejscach.
Widok produktu finalnego został przedstawiony na rysunku 7.7
jest to zarazem propozycja geoportalu dla miasta Bydgoszczy. Teraz
pozostaje tylko umieszczenie gotowej mapy solarnej na stronie
internetowej. Można się posłużyć systemem ArcGIS Online, niestety
wtedy byłaby ona dostępna tylko dla zalogowanych użytkowników.
Najlepszym wyjściem jest skorzystanie z podpowiedzi naszych
zachodnich sąsiadów i umieścić mapę na oficjalnej stronie miasta.
Page 57
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 57
Rysunek 7.7. Propozycja geoportalu z mapą potencjału solarnego dla fragmentu
dzielnicy Glinki w Bydgoszczy [Źródło: opracowanie własne]
Przedstawiony wyżej słoneczny kataster, pozwala użytkownikowi
łatwo ocenić korzystność montażu instalacji solarnej, dzięki oznaczeniu
potencjału solarnego w trzech kolorach (biały - niekorzystna,
pomarańczowy - dobra, czerwony - bardzo dobra). Zastosowany widok
wykorzystujący zdjęcia satelitarne ułatwia odnalezienie szukanego
obiektu w terenie, pomocą tu jest także mapa Bydgoszczy umieszczona
po lewej stronie na dole, która podpowiada, w jakiej części miasta się
znajdujemy. Można by uatrakcyjnić produkt, umieszczając informację
(po najechaniu kursorem na budynek), ile użytkownik uzyska energii
z montażu ogniw fotowoltaicznych, bądź ile zaoszczędzi na ogrzewaniu
montując kolektory słoneczne. W celu propagowania OZE dobrym
przykładem jest także zaznaczenie na mapie budynków z już
zainstalowaną instalacją czerpiącą energię ze Słońca. To pokazuje, że
niektórzy już się zdecydowali i pomogłoby podjąć decyzję
początkującym.
Page 58
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 58
8. Wnioski
1. Słoneczny kataster to geoportal, który przyczynia się
do propagowania Odnawialnych Źródeł Energii, a w tym wpisuję się
w zamysł umowy UNFCCC (United Nations Framework Convention on
Climate Change), której celem jest ograniczenie emisji gazów
cieplarnianych odpowiedzialnych za zjawisko globalnego ocieplenia.
2. Numeryczny Model Pokrycia Terenu pozyskany ze skaningu
laserowego służy, z wystarczającą dokładnością, do tworzenia map
potencjału solarnego. NMPT jest udostępniany przez Centralny Ośrodek
Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej.
3. ISOK (Informatyczny system Osłony Kraju) stanowi ogromną bazę
danych, które mogą być wykorzystywane do tworzenia słonecznych
katastrów.
4. Dzięki zaawansowaniu technologicznemu i wciąż rozwijającej się
fotogrametrii, produkty skaningu laserowego pozwalają
na wykorzystywanie ich do celów propagujących Odnawialne Źródła
Energii.
5. Spośród omówionych słonecznych katastrów najbardziej
zaawansowane są portale solarne dla miast Los Angeles
i Berlin, dzięki zastosowaniu w nich wysokiej szczegółowości
CityGML LoD2, a w przypadku drugiego miasta, zastosowania
wersji 3D.
6. Do wspierania i propagowania OZE w Bydgoszczy dołączają
instytucje publiczne takie jak Uniwersytet Technologiczno -
Przyrodniczy tworząc stację badawczą monitorująca pracę instalacji
solarnej.
Page 59
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 59
7. Zastosowanie ogólnodostępnego programu Pvotovoltaic Gegoraphical
Information System pomaga określić potencjał solarny dla danego
miejsca w Europie. Co może być pomocne w podjęciu decyzji
o montażu ogniw fotowoltaicznych.
8. Bydgoszcz posiada geoportal z mapą akustyczną miasta, co daje
idealną możliwości do stworzenie zintegrowanego portalu, w którego
skład wszedłby słoneczny kataster dla miasta.
9. Przy użyciu programu ArcGIS 10.0 ArcMap możliwe jest stworzenie
słonecznego katastru, który pozwala ocenić potencjał solarny
analizowanego obszaru. Umieszczenie mapy na oficjalnej stronie miasta
Bydgoszczy, przyczyni sie do zwiększenia świadomości mieszkańców
na temat inwestowania w energię słoneczną. Produkt ma szerokie
zastosowanie, gdyż nie tylko mieszkaniec miasta może dowiedzieć się
o tym czy na jego domu korzystne jest zainstalowanie kolektorów bądź
ogniw, ale także firmy oraz instytucje publiczne takie jak szpitale, czy
szkoły. Dzięki czemu emisja CO2 mogłaby być ograniczona, a także
korzystanie z darmowej energii słonecznej odciążyłoby budżet tych
instytucji.
Page 60
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 60
Bibliografia
1. Budzyński I,. Powierzchnia i ludność w przekroju terytorialnym w
2010 r. Informacje i opracowania statystyczne, 2010-08-20. GUS,
Departament Metodologii, Standardów i Rejestrów. Główny
Urząd Statystyczny. ISSN 1505-5507
2. Chwieduk D., Dostępność promieniowania słonecznego do
obudowy budynku zlokalizowanego w Polsce Centralnej, Polska
Energetyka Słoneczna, nr 1-4/2008
3. Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku. Warszawa :
Wydawnictwo "Arkady" Sp. z o.o., 2011.
ISBN 978-83-213-4711-0
4. Home - S.O.S. Ziemia! - film dokumentalny reż. Yann Arthus -
Bertrand, 2009
5. Kolbe T., Gröger G., Plümer L. CityGML - Interoperable Access
to 3D City Models, Institute for Artography and Geoinformation,
Universitat of Bonn, Bonn, Germany, 22 March 2005,
6. Królikowski J.: Słoneczny kataster. Geodeta, styczeń 2011
7. Kurczyński Z., Lotnicze i satelitarne obrazowanie Ziemi, tom 2.
Warszawa : Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
2006. ISBN 83-7207-655-3
8. Marmol U., Wykłady z przedmiotu Fotogrametria' Akademia
Górniczo-Hutnicza, Kraków, 2013
9. Nowicki M.: Nadchodzi era Słońca. Warszawa : Wydawnictwo
PWN SA, 2012. ISBN 978-83-01-16906-0
10. Oszczak W., Kolektory słoneczne i fotoogniwa w Twoim domu.
Warszawa : Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, 2012. ISBN
978-83-206-1832-7
11. Pietras M., Moduł r.sun - wykorzystanie do obliczenia wydajności
kolektorów słonecznych. W: Netzel P. (red.) Analizy przestrzenne
z wykorzystaniem GRASS, Rozprawy Naukowe Uniwersytetu
Wrocławskiego, nr 15/2011, 25-33. Wrocław, 2011
Page 61
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 61
12. Pietras M., Możliwości redukcji zanieczyszczeń atmosferycznych
przez zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie
jednorodzinnym na obszarze Województwa Dolnośląskiego. Praca
doktorska, Wrocław : Zakład Klimatologii i Ochrony Atmosfery
Uniwersytetu Wrocławskiego, 2012
13. Preuss R., Wykłady z przedmiotu Fotogrametria, Kujawsko-
pomorska Szkoła Wyższa, Bydgoszcz, 2012
14. Sukiennik K.: Mapy potencjału solarnego - ekomoda czy
energetyczna szansa? ArcanaGis, lato 2013
15. Šúri M., Huld T., Dunlop E., Ossenbrick H., Potential of solar
electricity generation in the European Union member states and
candidate countries. Original Research Article Pages 1295-1305
Solar Energy 81, Elsevier, 2007
16. Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M.: Kolektory słoneczne,
poradnik wykorzystania energii słonecznej. Warszawa : Centralny
Ośrodek Informacji Budownictwa PP, 2001. ISBN 83-85393-83-8
Page 62
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 62
Strony internetowe
- ArcGIS HELP: www.resources.arcgis.com
- Berlin Business Location Center: www.businesslocationcenter.de
- Bibliotekarz.net: www.bibliotekarz.net
- Bydgoszcz: www.bydgoszcz.pl
- CODGiK: www.codgik.gov.pl
- CORINE Land Cover: www.clc.gios.gov.pl
- Czysta Bydgoszcz: www.czystabydgoszcz.pl
- Das offizielle Stadtportal: www.maps.muenchen.de
- ESRI: www.esri.pl
- EUROSTAT: www.epp.eurostat.ec.europa.eu
- Geoportal: www.mapy.geoportal.gov.pl
- GRASS GIS: www.grass.osgeo.org
- GRAZ Geoportal: www.gis.graz.at
- ISOK: www.isok.gov.pl
- Joint Research Centre: www.ec.europa.eu/dgs/jrc
- LA County Solar Map and Green Planning Tool:
www.solarmap.lacounty.gov
- MGGP Aero: www.mggpaero.pl
- Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju: www.mir.gov.pl
- Neon: www.neon.net.pl
- Official Web Site of the City of Boston: www.cityofboston.gov
- Portal zielonej energii: www.gramwzielone.pl
- PVGIS: www.re.jrc.ec.europa.eu
- Skanowanie laserowe: www.skanowanie-laserowe.pl
- SODA: www.soda-is.com
- SolarGIS: www.solargis.info
- United Nations Framework Convention on climate Change:
www.unfccc.int
- Uniwersytet Warmińsko-Mazurski: www.uwm.edu.pl
- Wien Geoportal: www.wien.at
- Wikitravel: www.wikitravel.org
Page 63
Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego...
Małgorzata Wawer 63
- WIM: www.oze.utp.edu.pl