Natężenie promieniowania słonecznego jest jednym z istotnych parametrów przy analizie efektywności instalacji fotowoltaicznej. Zacznijmy zatem od tego czym jest natężenie promieniowania słonecznego? Jest nim chwilowa wartość gęstości mocy promieniowania słonecznego padającego w ciągu sekundy na powierzchnię 1 m2 prostopadłą do kierunku promieniowania. Jednostką jest zatem W/m2. Natężenie promieniowania słonecznego podlega ściśle określonym zmianom związanym z położeniem geograficznym, ruchem Ziemi wokół własnej osi oraz Słońca, ale także będąc parametrem klimatycznym ma stochastyczny charakter. Zatem aby określić rzeczywistą wartość natężenia promieniowania słonecznego musimy go zmierzyć. Możemy to zrobić bezpośrednio w danej lokalizacji poprzez żmudne pomiary, ale także możemy obecnie wykorzystać do tego krążące wokół Ziemi satelity. Ten drugi sposób ma tą przewagę, że pokrywa zazwyczaj szerszy obszar geograficzny, jest długookresowy i tańszy. Także nie ma się co dziwić temu, że zazwyczaj obecnie praktycznie korzysta się z satelitarnego pozyskiwania danych natężenia promieniowania słonecznego wykorzystując w dodatku fakt, że dane te zazwyczaj są nieodpłatne. W tym wpisie chciałbym przedstawić możliwości pozyskiwania danych natężenia promieniowania słonecznego do wykorzystania w analizie projektów fotowoltaicznych.
Natężenie promieniowania słonecznego – źródła danych
Dane zbierane są przez różne satelity i dostarczane przez różnych dostawców. Przyjrzyjmy się tym najpopularniejszym. Zaczniemy od projektu firmowanego przez Unię Europejską.
PVGIS – Photovoltaic Geographical Information System
W ramach European Commission’s Joint Research Centre uruchomiono projekt PVGIS (ang. Photovoltaic Geographical Information System), w ramach którego dane natężenie promieniowania słonecznego są bezpłatne do celów powszechnych. Dane dostarczane są w postaci numerycznej lub jako dane rastrowe przez organizację EUMETSAT zarządzającą siecią satelitów METEOSAT w ramach Climate Monitoring Satellite Application Facility. Dla danych rastrowych PVGIS dostępne są trzy zbiory danych: CM SAF, CM SAF „SARAH” oraz CM SAF „SARAH-2”. Średnie miesięczne i roczne natężenia promieniowania słonecznego obliczane dla powyższych modeli obliczane są odpowiednio z następującego zakresu lat: 2007-2016, 2005-2016 oraz 2005-2020. Jak zatem widać najobszerniejszy zbiór danych zawarty jest w zbiorze CM SAF „SARAH-2” to dane z 21 lat obserwacji. Poniżej przedstawiam linki do opisu poszczególnych zbiorów danych:
- https://joint-research-centre.ec.europa.eu/photovoltaic-geographical-information-system-pvgis/pvgis-data-download/cm-saf-solar-radiation_en
- https://joint-research-centre.ec.europa.eu/photovoltaic-geographical-information-system-pvgis/pvgis-data-download/sarah-solar-radiation_en
- https://joint-research-centre.ec.europa.eu/photovoltaic-geographical-information-system-pvgis/pvgis-data-download/sarah-2-solar-radiation-data_en
a poniższa tabela przedstawia porównanie zakresu danych w nich zawartych
| Database Name | CM SAF | CM SAF „SARAH” | CM SAF „SARAH-2” |
| Data Format | ESRI ascii grid | ESRI ascii grid | GeoTIFF |
| Map projection | geographic (latitude/longitude), ellipsoid WGS84 | geographic (latitude/longitude), ellipsoid WGS84 | geographic (latitude/longitude), ellipsoid WGS84 |
| Grid cell size | 1’30” (0.025°) | 3′ (0.05°) | 3′ (0.05°) |
| North | 65°01’30” N | 62°30′ N | 72° N |
| South | 35° S | 40° S | 37° S |
| West | 65° W | 65° W | 20° W |
| East | 65°01’30” E | 128° E | 63,05° E |
| Rows | 4001 cells | 2050 cells | 2180 cells |
| Columns | 5201 cells | 3860 cells | 1661 cells |
| Missing value | -9999 | -9999 | -9999 |
| Radiation units | W/m2 | W/m2 | kW/m2 |
| Time period | 2007-2016 | 2005-2016 | 2005-2020 |
Pokrycie danych natężenia promieniowania słonecznego w postaci średniej rocznej z omawianych baz danych przedstawię w postaci graficznej. Skorzystam z metody open z biblioteki Rasterio, którą wcześniej doinstalowałem do środowiska Anacondy.
Jak widać najszerszym pokryciem geograficznych cechuje się baza CM SAF „SARAH”. W ramach projektu PVGIS jest także możliwość uzyskania map dla konkretnego kraju lub regionu. Dla Polski wygląda to tak.
SoDa – Solar Radiation Data
Innym miejscem gdzie można znaleźć bogate dane na temat natężenia promieniowania słonecznego jest SoDa (skrót od Solar radiation Data). Ogólnie serwis SoDa jest brokerem listy usług i serwisów internetowych, czyli oferuje w jednym miejscu dostęp do dużego zbioru informacji dotyczących natężenia promieniowania słonecznego i jego wykorzystania. Serwis SoDa tworzy linki do innych zasobów, które znajdują się w różnych krajach. W menu Maps znajdziemy między innymi bezpłatne dane (https://www.soda-pro.com/maps/maps-for-free). Powiedzmy, że interesuje nas obszar Europy i Afryki. Wówczas uśrednione miesięcznie oraz rocznie dane znajdziemy odpowiednio w sekcjach o nazwie Europe maps „AGATE” of CAMS radiation data and CAMS McClear oraz Africa maps „JADE” of CAMS radiation data and CAMS McClear. Podobnie jak zrobiłem to z danymi z PVGIS również dane obecne przedstawię w postaci graficznej. Wygląda to tak
NSRDB – National Solar Radiation Database
Jednak największe możliwości pozyskania danych natężenia promieniowania słonecznego ma miejsce poprzez bazę NSRDB (National Solar Radiation Database – https://nsrdb.nrel.gov/). Jak można odczytać bezpośrednio ze strony internetowej National Solar Radiation Database (NSRDB) jest kompletnym zbiorem godzinowych i półgodzinnych wartości danych meteorologicznych oraz trzech najczęstszych pomiarów promieniowania słonecznego: globalnego poziomego, bezpośredniego normalnego i rozproszonego natężenia promieniowania poziomego. Obejmuje Stany Zjednoczone i rosnący podzbiór lokalizacji międzynarodowych. Dane te zostały zebrane w wystarczającej liczbie lokalizacji oraz w skali czasowej i przestrzennej, aby dokładnie przedstawić regionalne klimaty promieniowania słonecznego. Dla danej lokalizacji objętej zbiorem danych można odczytać ilość energii słonecznej, która była w danym czasie, i przewidzieć potencjalną przyszłą dostępność energii słonecznej w oparciu o przeszłe warunki.
Dla różnych obszarów geograficznych mamy pokrycie z różnych źródeł. Np obszar Stanów Zjednoczonych jest pokryty poprzez:
- Extended Americas – GOES East od 2019 – do obecnie jako wartości 10, 30 i 60 minutowe w rozdzielczości 4 km
- Extended CONUS od 2018 do obecnie jako wartości 5, 15, 30 i 60 minutowe w rozdzielczości 2 km
- Americas od 1998 do obecnie jako wartości 30 i 60 minutowe w rozdzielczości 4 km
- Extended Americas – GOES West od 2019 do obecnie jako wartości 10, 30 i 60 minutowe w rozdzielczości 4 km
Do wyszukania i pobrania danych możemy skorzystać z dowolnej metody oznaczenia lokalizacji: adres, punkt geograficzny, dowolny kształt, prostokąt lub elipsa.
Następnie za pomocą formularza precyzujemy jakie parametry nas interesują, i po ich wygenerowaniu cieszymy się z przesłanego na podany w formularzu adres poczty elektronicznej zbioru danych.
PVLIB – IO Tools
Możemy także potrzebne nam informacje pobrać bezpośrednio korzystając z funkcji dostępnych w module IOTools biblioteki, z której już wielokrotnie korzystałem na łamach tego bloga, czyli pvlib-python.
https://pvlib-python.readthedocs.io/en/stable/reference/iotools.html
Trzeba jednak pamiętać, że już nie będą one tak uniwersalne w swoim wymiarze, jak te dane pobrane z NSRDB.
Odnośniki
- https://joint-research-centre.ec.europa.eu/photovoltaic-geographical-information-system-pvgis/pvgis-data-download_en
- https://www.eumetsat.int/
- https://www.cmsaf.eu/EN/Home/home_node.html
- https://www.soda-pro.com/maps
- https://nsrdb.nrel.gov/
- https://pvlib-python.readthedocs.io/en/stable/reference/iotools.html
