NAPENERGIÁT HASZNOSÍTÓ RENDSZER TERVEZÉSE

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VEGYIPARI GÉPEK TANSZÉKE NAPENERGIÁT HASZNOSÍTÓ RENDSZER TERVEZÉSE KÉSZÍTETTE: Volascsek Péter TERVEZÉSVEZETŐ: Dr. Horváth Eszter PhD villamosmérnök KONZULENS: Dr. Szepesi L. Gábor PhD egyetemi docens Miskolc, 2013

2 TARTALOM 1. Bevezető Az energia A megújuló energiaforrásoké a jövő? A napenergia Napkollektoros rendszer A napkollektoros rendszer felépítése, működése A napkollektorok felépítése, működése, fajtái Síkkollektor Koncentráló kollektor Vákuumcsöves kollektor Heatpipe rendszerű napkollektor U-pipe rendszerű napkollektor Síkkollektor vagy vákuumcsöves kollektor? A szolárrendszerek tervezése Hőszükséglet a használati meleg víz előállításához A telepítési helyszín időjárási adatai A kollektorfelület elhelyezése és beállítani kívánt dőlésszöge A rendszer-konfiguráció A kívánt éves szolár fedezeti fok és rendszer-kihasználtsági fok értéke A kollektorfelület méretezése A kollektor teljesítményét leíró fogalmak, mennyiségek A kollektor hatásfoka Az optikai hatásfok A nyugalmi állapotbeli hőmérséklet A lineáris hőveszteségi együttható

3 A négyzetes hőveszteségi tényező A napsugárzás intenzitása A hatásfok független változója A kollektoros-rendszer éves hasznos teljesítménye A tároló és a hőcserélő méretezése A csővezetékek és a szivattyú méretezése Tágulási tartály méretezése Napelemes rendszer A napelemes rendszer felépítése, működése A napelemek felépítése, működése, fajtái Mono- és polikristályos napelem Amorf napelem A kiserőművek hálózatra csatlakoztatásának követelményei Villamos áramot és hőt előállító napenergia hasznosító rendszer Dual Solar-Power (DSP ) Energy System A globál és direkt sugárzás mérése Napgeometriai paraméterek, a hőnyerő felület és a napsugár viszonya Az optikai légréteg fogalma A direkt energiamennyiség Napsütéses órák száma A DSP számára hasznos energia A DSP pillanatnyi villamos teljesítménye A DSP pillanatnyi hőteljesítménye A DSP hatásfoka, éves és havi energiatermelése A háztartások energiaigénye Lakóépület áram- és hőigényének kiszolgálása DSP-vel Energiaigény, megtermelt energia

4 A megtermelt energia "értéke" Összegzés Summary Az energiaellátás jövője Irodalomjegyzék A felhasznált képek forrása Függelék Grundfos UPS 25-20/UPS típusú szivattyú Adatlapja A DSP energiatermeléséhez szükséges adatok, számítások Napmagasság szögek év- és napszakonként Budapesten Az optikai légréteg vastagsága az egyes év- és napszakokban A napsugarakra mindig merőlegesen álló, 1 m 2 -nyi felületre eső direkt sugárzás intenzitása Lehetséges, valós, relatív napfénytartam Melegvíz-fogyasztás

5 SZIMBÓLUMJEGYZÉK Qigény,hő [kwh]: mvíz [kg]: cvíz [Wh/kgK]: ΔT [ C]: Akoll [m 2 ]: Sfedezeti [-]: Srendsz [-]: Qbesugárzás [kwh/m 2 ]: K [-]: Tkoll [ C]: Tlev [ C]: η [-]: η0 [-]: K1 [-]: K2 [-]: G [W/m 2 ]: X [Km 2 /W]: Ehasznos [kwh]: dcső [mm]: l [m]: Q [l/h]: ρ [kg/m 3 ]: melegvíz-szükséglet a víz tömege a víz hőkapacitása vagy fajhője a hideg és meleg víz közötti hőmérséklet-különbség nettó kollektorfelület szolár fedezeti fok szolár rendszer-kihasználtsági fok 1 m 2 -re eső éves szolár besugárzás a kollektor tájolásától és dőlésszögétől függő tényező a kollektor átlaghőmérséklete a levegő hőmérséklete a kollektor hatásfoka optikai hatásfok lineáris hőveszteségi együttható négyzetes hőveszteségi tényező a napsugárzás intenzitása a kollektor hatásfok független változója a kollektor éves hasznos teljesítménye a csővezeték átmérője a csővezeték hossza térfogatáram a munkafolyadék sűrűsége [m 2 /s]: a munkafolyadék viszkozitása Acső [m 2 ]: csőkeresztmetszet v [m/s]: a munkafolyadék sebessége ƛ [-]: Re [-]: csősúrlódási tényező Reynolds-szám [-]: a könyök veszteségtényezője [-]: a csap veszteségtényezője Hcső [-]: VN [l]: Vtágulási [l]: Vkoll [l]: a csővezeték vesztesége a tároló névleges űrtartalma a tágulási térfogat a kollektor űrtartalma 5

6 Vcső [l]: pvég [bar]: ptöltési [bar]: pbizt [bar]: g [m/s 2 ]: h [m]: moptikai [-]: β[ ]: Gdirekt [W/m 2 ]: G0 [W/m 2 ]: D [m]: a b [mm mm]: ncella [db]: d [m]: ηcella [-]: ηreflexió [-]: Ahasznos [m 2 ]: Acellák [m 2 ]: c [-]: Akoncentrált [W/m 2 ]: Pkoncentrált [W]: Pki,vill [W]: Pki,hő [W]: GDSP [W]: ηdsp,vill [-]: ηdsp,hő [-]: ηdsp [-]: Evill [kwh]: Ehő [kwh]: Eösszes [kwh]: Qigény,vill [kwh]: n [-]: Efelesleg,vill [kwh]: a csővezeték-tartalom a rendszer végnyomása a rendszer töltési nyomása biztonsági szelep megszólalási nyomása nehézségi gyorsulás a szolárrendszerben lévő folyadékmagasság optikai légréteg a napsugarak beesési szöge a napmagasság szöge direkt sugárzás intenzitása napállandó a parabola átmérője egy napelem cella méretei cellák száma a központi egység átmérője a napelem cellák hatásfoka a parabola reflexiójának és a védőüveg áteresztőképességének szorzata hasznos felülete a DSP-nek napelem cellák területe a DSP energiakoncentrációja koncentrált sugárzás értéke 1 m 2 -re koncentrált teljesítmény kimenő villamos áram teljesítménye kimenő hőteljesítmény a hasznos felületre eső napsugárzás teljesítménye a DSP hatásfoka villamos áram előállítására a DSP hatásfoka hőenergia előállítására a DSP összhatásfoka megtermelt villamos energia megtermelt hőenergia összes megtermelt energia a lakóház áramigénye a DSP-k darabszáma a DSP által megtermelt többlet villamos energia 6

7 Emeleg víz [kwh]: Efűtés [kwh]: H [MJ/m 3 ]: Egáz [kwh/m 3 ]: ngáz [m 3 ]: kvill [Ft/kWh]: kgáz [Ft/m 3 ]: Kfelesleg,vill [Ft]: Kfelhasznált,vill [Ft]: Khő [Ft]: Kösszes [Ft]: melegvíz-fogyasztás szempontjából megtermelt hasznos hőenergia egy évben fűtés szempontjából megtermelt hasznos hőenergia egy évben 1 m 3 gáz fűtőértéke 1 m 3 gáz energiatartalma gázmennyiség m 3 -ben kifejezett értéke villamos áram ára gáz ára többlet villamos áram ára felhasznált villamos áram ára melegvíz-készítéshez és fűtéshez felhasznált energia ára összes megtermelt, hasznos energia ára 7

8 1. BEVEZETŐ 1.1. AZ ENERGIA A 21. századi ipari társadalom számára a legnagyobb problémát az energiaellátás és az ezzel szorosan összefüggő környezetszennyezés jelenti. Felmerül a kérdés, hogy vajon fenntartható-e az emberi civilizáció fejlődése? Képesek leszünk-e Földünk növekvő népességének energiaszükségletét kielégíteni 50 vagy 100 év múlva? Eltűnődünk rajta, hogy vajon gyerekeink, unokáink számára is lesz-e elegendő energia, tiszta víz vagy levegő, megfelelő ennivaló? [3] 2000-ben bolygónk 6 milliárd lakosának éves energiaigénye elérte a 400 EJt ( J). Prognózisok azt mutatják, hogy 2050-re Földünk 9 milliárd lakójának energiafelhasználása 990 EJ lesz, ami közel két és félszeres növekedést jelent. [2] Észre kell venni ugyanakkor, hogy már jelenleg is számos probléma forrása a hagyományos fosszilis tüzelőanyag (kőolaj, földgáz, szén stb.), valamint a hasadó nukleáris üzemanyag egyenlőtlen területi eloszlása. Mennyiségük korlátozott és a kitermelésük körüli állandó konfliktusok folyamatos árnövekedést okoznak. [1] Jelenlegi ismereteink szerint a nem megújuló energiavagyon megoszlása a következő: kőszén: évre földgáz: 100 évre kőolaj: kevesebb, mint 100 évre urán: szaporító reaktorok nélkül 130 évre szaporító reaktorokkal 700 évre [1] 1.2. A MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOKÉ A JÖVŐ? Világos tehát, hogy az energetikai korszakváltásnak az energiatakarékosságon, az energia racionális, környezetbarát módon történő felhasználásán valamint a megújuló energiahordozókon kell nyugodnia. [1] A megújuló energiaforrások folyamatosan, emberi léptékkel mérve időtlenül rendelkezésre álló, regeneratív energiaforrások. Ide soroljuk a vízenergiát, a 8

9 szélenergiát, a napenergiát, geotermikus energiát, valamint a biomasszát. Ezek mindegyike korlátlan, szabadon hozzáférhető, globálisan alkalmazható energiaforrás, kisajátítani nem tudjuk őket, így konfliktust nem okoz felhasználásuk, valamint árnövekedéssel sem kell számolni esetükben. Épp ellenkezőleg, a technológia fejlődésének köszönhetően folyamatos árcsökkenés várható. Az 1. ábrán a nagy kockák a természetben rendelkezésre álló források nagyságát mutatják, míg az előtte levő kis kockák a jelenleg technikailag "befogható" energia mértékét jelképezik. Az ábrából kiderül, hogy a Föld teljes energiaszükséglete elvileg kielégíthető a megújuló energiaforrások kihasználásával. [5] Föld összes energiaigénye Geotermikus energia Szárazföldi napsugárzás Óceáni eredetű hő-és szél Szél Víz Biomassza 1. ábra. A természetben rendelkezésre álló források nagysága összevetve a technikailag "befogható" energiamennyiséggel [25] Mindközül ki kell emelnünk a napenergiát, mivel a regeneratív energiaforrások áttételesen napenergiát hordoznak magukban. Kivételt képez a geotermikus energia, mert az a Föld mélyén zajló radioaktív bomlás eredménye. A Nap okozta nyomáskülönbség hozza mozgásba bolygónk légtömegét, a Nap párologtatja el vízkészleteinket, ami magasabb területekre visszahullva jelentős potenciális energiát jelent, és csakugyan a Nap hatásának köszönhetően fotoszintetizálnak és fejlődnek növényeink, amelyek a biomasszát szolgáltatják. [2] 9

10 1. táblázat. A megújuló energiák részesedési százaléka a villamosenergiatermelésben (geotermikus energia nélkül) 1 [2] Év Szélenergia villamos Bioenergia Napenergia Összesen [%] kapacitása [%] villamos villamos kapacitása [%] kapacitása [%] ,34 1,3 0,003 1, ,00 3,0 0,2 4, ,00 3,2 1,0 6, ,30 4,0 13,0 20,3 Egyre inkább világossá válik, hogy a vízenergia és szélenergia kihasználása környezetünkre tett káros következményei miatt lassan háttérbe fognak szorulni. A vízerőművek a vízi élővilág ökológiai egyensúlyának felborítása következtében, a szélturbinák tájromboló hatásuk és csendszennyező tulajdonságuknak köszönhetően veszítenek népszerűségükből. A jövőben a biomassza és a napenergia fokozott mértékű hasznosítását fogjuk tapasztalni. Magyarországon lemaradásban vannak a lakossági kisfogyasztók a megújuló energiaforrások kihasználásában. Ennek egyik oka a ma még drága technológia a jövedelmekhez képest. A jelenlegi európai gazdasági helyzet szintén nem kedvez a megújuló energiahasznosító rendszerek elterjedésének. Továbbá a magyarországi pályázati rendszer nem alkalmas ezen technológiák elérhetővé tételére a lakossági fogyasztók számára. [6] Az említett problémákat orvosolni lehetne a megújuló energiaforrások felhasználását célzó pályázati rendszer átdolgozásával, a források átcsoportosításával, a kivitelezés, megvalósítás egyszerűbbé és életszerűbbé tételével. A centralizáltan történő energia előállítása helyett célszerű lenne egy - az internethez hasonló - decentralizált hálózat létrehozása, melyben az energia jelentős részét lokálisan, maguk a fogyasztók állítanák elő. Az ily módon létrehozott több lábon álló rendszer stabilabb, hatékonyabb lenne mint a jelenlegi monokultúrás felépítés, ahol egy-egy nagyobb szolgáltató (áramszolgáltató, gázszolgáltató) állítja elő a szükséges energiát. Kizárólag napkollektorok, napelemek, hőszivattyúk és energiatakarékos megoldásokkal képesek vagyunk épületek fűtésére, árammal való ellátására, vagy akár többletenergia megtermelésére is. Bizonyítják ezt a Németországban és skandináv országokban 1 Az új Európai Uniós szabályok a statisztikák szempontjából a vízenergiát nem tekintik megújuló energiának. 10

11 egyre nagyobb népszerűségnek örvendő passzív- és aktívházak. A hálózat a mindenkori igényeknek megfelelően lenne bővíthető. A szolgáltató feladata az energia továbbítása, tárolása lenne, illetve a többletenergia-igény fedezése. [6] A megújuló energiaforrásból előállított energia támogatásáról szóló 2009/28/EK irányelv valamennyi uniós tagország számára meghatároz egy 2020-ig kötelezően teljesítendő célszámot. Magyarország számára ez a szám 13%, amelyből 2012-ben 9,4%-ot sikerült teljesíteni.[7] Egy 2006-ban született rendeletet módosító jogszabály szerint Magyarországon 2019-től csak azon középületekre adható ki építési engedély, amelyek közel nulla energiaigényűek től pedig a lakóépületekre is kötelező érvényű lesz ez a szabályozás. A kormány honlapján megjelent tervezet szerint, az energiaigény egynegyedét az épületben vagy annak közvetlen környezetében telepített megújuló energiát hasznosító rendszer(ek)ből kell biztosítani a jövőben. A beruházásnak az épület becsült élettartamáig kell megtérülnie. [11] 1.3. A NAPENERGIA A napenergia befogásának számos korlátozó tényezője nehezíti a napenergiát hasznosító rendszerek elterjedését. Látnunk kell, hogy ez a fajta energia változóan áll rendelkezésünkre, mind időben, mind térben. A kínálat és igény nem esik egybe, évszakonként és napszakonként változik. Télen, illetve éjszaka, amikor a leginkább szükségünk lenne rá, nehezebben tudjuk szolgálatunkba állítani a Napot. Napjainkban nagy mennyiségű energia bármilyen formában történő tárolása az egyik legnagyobb műszaki kihívást jelenti, igaz ez a Nap által közölt energiára is. A negyedik problémát a jelenleg még igen magas beruházási költségek jelentik. A mostani energiaárak mellett kérdéses egy napenergiát befogó rendszer telepítésének megtérülése. [1] A Nap által a Földre érkező hatalmas energiamennyiség kihasználására két műszaki megoldás született: napkollektoros-rendszer segítségével: a Nap által sugárzott hő begyűjtése. fotovoltaikus berendezéssel (napelem): a Nap elektro-mágneses sugárzásának árammá fejlesztése. A következőkben ezen két rendszer felépítését, működését és méretezését szeretném részletesen ismertetni. 11

12 2. NAPKOLLEKTOROS RENDSZER 2.1. A NAPKOLLEKTOROS RENDSZER FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE A napkollektoros rendszerek a Nap sugárzási energiáját alakítják át hőenergiává, meleg víz formájában tárolják, valamint a fogyasztó rendelkezésére bocsátják. A napkollektoros rendszerek az alábbi fő részekből állnak: napkollektor: a Nap a belőle érkező hősugárzási energiát valamilyen folyadékközegnek adja át. A napkollektor hatásfoka alapvetően meghatározza az egész rendszer hatékonyságát. tároló: ez a tartály a kollektor által felmelegített meleg vizet tárolja. működtető, szabályzó, biztonsági és ellenőrző szerelvények: a rendszert működtető mechanikai és elektronikai szerkezetek tartoznak ide. csővezetékrendszer: a kollektort a tárolóval, illetve a tárolót a felhasználási ponttal összekötő csővezetékek összessége. [3] 2. ábra. Napkollektoros rendszer [37] 12

13 2.2. A NAPKOLLEKTOROK FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE, FAJTÁI A kollektor a szolárrendszer egyik legfontosabb egységét képezi. Típusa, hatásfoka nagyban befolyásolja a rendszer egészének működését, hatékonyságát. Kiválasztásánál körültekintően kell eljárnunk, ehhez viszont ismernünk kell típusait és azok felépítését. Alapvetően három fajtáját különböztetjük meg a kollektoroknak, viszont ezeken belül eltérő technikai megoldások is léteznek: Síkkollektor Koncentráló kollektor Vákuumcsöves kollektor o Heatpipe rendszerű napkollektor o U-pipe rendszerű napkollektor SÍKKOLLEKTOR A síkkollektor lényegében kollektorházból, hőelnyelőből (abszorber), hőszigetelésből és átlátszó fedőrétegből áll. A napsugárzás áthatol az átlátszó fedőrétegen, ráesik az elnyelőlemezre (abszorber), amely abszorpció révén átalakítja a sugárzást hővé. [1] 3. ábra. Síkkolektor [32] KONCENTRÁLÓ KOLLEKTOR Ennél a típusnál homorú tükröket használnak a napfény fókuszálására. A napsugárzást egyetlen pontra vagy csővezetékre irányítják, amelyek a tükrök fókuszpontjában vagy egyenesén helyezkednek el. Jellemzően naperőművekben, magas hőmérsékletű (250 C-tól 800 C-ig) technológiai folyamat hőjének 13

14 előállítására használják. Hátrányuk, hogy precíz követő berendezésre van szükség, mivel csak a közvetlen napsugárzást képesek hasznosítani, a szórt sugárzást nem. A követő automatikának köszönhetően drágább berendezés, mint sík vagy vákuumcsöves rokonai, ezért háztartások fűtésére, melegvíz-előállítására kevésbé elterjedt rendszer. [1] 4. ábra. Koncentráló kollektor[29] VÁKUUMCSÖVES KOLLEKTOR Köztudottan a vákuum a legjobb hőszigetelő, ezt a rendkívül jó tulajdonságát használja ki ez a fajta kollektor. Egy dupla falú üvegcső két fallal határolt részéből kiszivattyúzzák a levegőt, ezzel biztosítva a szinte tökéletes hőszigetelést a cső belsejében. A duplafalú üvegcső anyaga bórszilikát, amely speciálisan ütésálló, és a felületére érkező napsugárzást szinte tökéletesen átengedi. A dupla falú üvegcső belső felületére különlegesen nagy fényelnyelő képességű abszorpciós bevonatot gőzölnek fel, amely megközelítőleg a beérkező fénysugár 100%-át elnyeli. Így érhető el, hogy a napsugárzás átjut az üvegcső falán, viszont a már hővé alakult energia nem képes távozni a rendszerből, szinte teljes egészében hasznosul. Összefoglalva, a vákuumcsöves napkollektorok hatékonysága független a környezeti hőmérséklettől, csak a napsugárzás intenzitásától függ, azaz téli hideg időszakban is lehetséges a hatékony hőtermelés. [8] A vákuum fokozását a csövek alján elhelyezkedő gyűrűben található fémes csillogású bárium elpárologtatásával idézik elő. Ez az elem megköti a gyártás után a vákuumtérben fellelhető gázmolekulákat, illetve jelzőként is működik, ha a cső megreped, vagy eltörik, ugyanis a fémes színű réteg fehérré válik. [8] [9] 14

15 HEATPIPE RENDSZERŰ NAPKOLLEKTOR Ennél a típusnál a duplafalú vákuum üvegcsövekbe ún. hőcső (heatpipe) kerül beszerelésre, amelyben speciális, alacsony olvadáspontú folyadék kering. A napenergia hatására ez a folyadék felforr, majd gőz halmazállapotúvá válik, és felszáll a cső felső részében található hőpatronba. Itt kondenzálódik, átadva hőenergiáját a hőcsöveket kívülről körülvevő munkafolyadéknak. A lecsapódott folyadék visszafolyik a hőcső alsó részébe, ahol ismét elpárolog, és a körfolyamat kezdődik elölről. [8] [9] 5. ábra. Heatpipe rendszerű kollektor [33] U-PIPE RENDSZERŰ NAPKOLLEKTOR Az üvegcsövekbe U alakúra hajlított rézcsövet szerelnek. Az üvegcső belsejét hőátadó lemez borítja, amely felforrósodva átadja hőjét a rézcsőben keringtetett fagyálló munkafolyadéknak. A felmelegedett folyadék hőcserélőn keresztül adja át hőjét a tárolónak. [9] Ezekhez a típusokhoz fejlesztették ki a CPC (Compound Parabolic Concentrator: kettős parabola koncentrátor) tükröt a teljesítmény növelése érdekében. A kollektorcső a parabolatükör fókuszegyenesére kerül, így a kollektor felületére érkező teljes napsugárzást a cső belsejében található abszorber lemezre irányítja. A koncentrált napsugárzás miatt hatékonyabb a hőelnyelés, anélkül hogy a kollektor felülete növekedett volna. A CPC tükör időjárás-állóságát a felületét borító bevonat biztosítja. [9] 15

16 6. ábra. U-pipe rendszerű kollektor [31] 2.3. SÍKKOLLEKTOR VAGY VÁKUUMCSÖVES KOLLEKTOR? A CPC tükrös vákuumcsöves napkollektorok messze a leghatékonyabb berendezések a különféle típusú napkollektorok között. Ebben a berendezésben egyesül a síkkollektorok nagy fényelnyelő felülete és a vákuumcsöves napkollektorok rendkívüli hőszigeteltsége. Kedvezőtlenebb fényviszonyok esetén is nagyon hatékony hőtermelésre képesek. Kiegyenlítettebb hőtermelést biztosítanak, ezért téli-nyári használatra jobb választás, mint a síkkolektoros berendezések. [9] 2.4. A SZOLÁRRENDSZEREK TERVEZÉSE [10] A tervezés a hagyományos fűtési rendszerekhez képest merőben eltér. A hagyományos rendszerek méretezésénél a várható maximális melegvíz-igényt tartjuk szem előtt, tehát a feltétel nélküli ellátás biztosítását. A napkollektoros rendszerek ugyanakkor másodlagos szerepet játszanak a lakás melegvízellátásában, vagyis kiegészítő berendezésként létesítik őket. Tervezésükkor a cél, hogy a napenergia-kínálatot a lehető leghatékonyabban hasznosítsák, csökkentve a tüzelőanyag-szükségletet. 16

17 A továbbiakban a szolárrendszer méretezésének lépéseit konkrét példán keresztül szeretném bemutatni a könnyebb megértés érdekében, melyet egy átlag paraméterekkel rendelkező családi házra vonatkoztatok. A napkollektoros rendszerek kiépítésénél a következő paramétereket kell figyelembe venni: Hőszükséglet a használati meleg víz előállításához A telepítési helyszín időjárási adatai A kollektor felület elhelyezése és beállítani kívánt dőlésszöge A rendszer-konfiguráció A kívánt éves szolár fedezeti fok és rendszer-kihasználtsági fok értéke HŐSZÜKSÉGLET A HASZNÁLATI MELEG VÍZ ELŐÁLLÍTÁSÁHOZ A legfontosabb szempont a kollektoros rendszerek méretezésénél a melegvíz-igény. Számításánál szükségünk lesz villanyóra segítségével mérhető adatok vagy tapasztalati értékek valamelyikére. Villanybojler-rendszer esetén az áramfogyasztást akár közvetlenül is mérni tudjuk villanyóra segítségével, ha külön áramkörben van a bojler. Ekkor csupán az éves fogyasztást kell korábbi villanyszámlák alapján kiszámolnunk. Ha erre nincs lehetőség, vagy gázkazánnal történik a melegvíz-előállítás, akkor egy egyszerű számítási képlet lesz a segítségünkre. A napi háztartási melegvíz-szükséglet kielégítéséhez szükséges energiaérték az alábbi képlettel számolható: (1) ahol: mvíz [kg]: a víz tömege cvíz [Wh/kgK]: a víz hőkapacitása vagy fajhője ΔT [ C]: a hideg és meleg víz közötti hőmérséklet-különbség Ha az éves energiaszükségletre vagyunk kíváncsiak, akkor a fenti képlettel kapott értéket beszorozzuk 365-tel. 17

18 2. táblázat. Melegvíz-fogyasztás személyenként és naponként (45 C-os víz esetén) [10] Kis fogyasztás Közepes fogyasztás Nagy fogyasztás l l l Tehát ha feltételezzük, hogy egy 3 személyes háztartás személyenként 35 l liter vizet fogyaszt, akkor a napi energiaszükséglet a következő lesz: mvíz = 3 35 l 3 35 kg cvíz = 1,16 Wh/kgK ΔT = 35 C Ezt átszámítva 365 napra 1556 kwh éves energiaszükséglet adódik. A későbbiekben 1500 kwh-ra kerekített értékkel fogok számolni A TELEPÍTÉSI HELYSZÍN IDŐJÁRÁSI ADATAI A Napban rejlő potenciál kihasználásának mértéke jelentősen befolyásolt a telepítés helyszínétől. A napfényből rendelkezésünkre álló energia mennyisége függ a sugárzás időtartamától, intenzitásától, a földrajzi helyzettől, az időjárási viszonyoktól és periodikusan ingadozik az aktuális évszaknak és napszaknak megfelelően. Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8 és 48,6 között található, ahol a napsütéses órák száma megközelítőleg 2200 h/év. Magyarországot tekintve, az egy négyzetméterre érkező energiamennyiség értékét a 7. ábra alapján könnyen megállapíthatjuk. Például a miskolci térségbe érkező éves energia egy négyzetméternyi vízszintes felületre vonatkoztatott értéke Qbesugárzás = 1200 kwh/m 2. Ha viszont a napenergiát hasznosító rendszerek gyakorlatában elterjedt tájolású és dőlésszögű felületre érkező éves energiamennyiséget mérjük, azt kapjuk, hogy akár a Qbesugárzás = 1400 kwh/m 2 értéket is elérheti, így a továbbiakban ezzel számolok. 18

19 7. ábra. Egy évben, egy négyzetméter vízszintes felületre érkező energiamennyiség értéke Magyarországon [30] A földfelszínt elérő napsugárzás két komponensből tevődik össze. A közvetlen sugárzás lényegében akadálytalanul, irányváltoztatás nélkül hatol át a légkörön. Ez felhőkkel nem takart, tiszta égboltnál jellemző. Diffúz sugárzás a napfény atmoszférán történő szóródásából keletkezik. Felhős időben a közvetett sugárzás a globál sugárzás akár %-át is kiteheti. 3. táblázat. Az 1 m 2 -re eső napsugárzás intenzitása [4] G [W/m 2 ] Diffúz sugárzás aránya [%] Kék égbolt délben Ködös, borús időben Éves átlag A KOLLEKTORFELÜLET ELHELYEZÉSE ÉS BEÁLLÍTANI KÍVÁNT DŐLÉSSZÖGE A szolárrendszer hatásfokát rontja, ha az ideális (déli) tájolástól és (40-45 os) dőlésszögtől eltérünk a kollektor telepítésénél. Tervezésnél törekednünk kell ennek betartására, ha ez nem lehetséges, akkor a 8. ábrából egyszerűen megállapítható a hatásfokromlás. Tegyük fel, hogy a vizsgált ház fekvése lehetővé teszi, hogy a kollektort a tetőszerkezetre telepítsük. A 30 -os dőlésszögű tető kollektor elhelyezésére alkalmas oldala nagyjából 30 -kal tér el a keleti iránytól déli irányba, amely 19

20 meglehetősen szerencsés tájolást jelent. A diagram alapján a két érték metszéspontja körülbelül a K = 85%-os körbe esik, így a későbbiekben ezzel a hatásfokkal fogok számolni. 8. ábra. Kollektorok hatásfoka a tájolás és dőlésszög függvényében [26] A RENDSZER-KONFIGURÁCIÓ Ez alatt a szolárrendszer működtetését végző mechanikai és elektronikai eszközök beállítását értjük. A megfelelően automatizált szolárrendszer vezérlőelektronikája gondoskodik róla, hogy gazdaságosan működjön a kollektor. Például amennyiben a kollektorból érkező szolárfolyadék hőmérséklete nem haladja meg a C-ot, nem éri meg keringtetni a közeget A KÍVÁNT ÉVES SZOLÁR FEDEZETI FOK ÉS RENDSZER-KIHASZNÁLTSÁGI FOK ÉRTÉKE A fedezeti fok a meleg víz előállításához szükséges teljes hőmennyiség és napkollektor-rendszer által megtermelt hőmennyiség hányadosa. 100%-os fedezeti fok elérése aligha lehetséges a már korábban említett kínálat és kereslet időbeli eltérése miatt. A kollektorfelület növelésével tudnánk a téli időszakban a teljes melegvíz-szükségletet szolárrendszerrel fedezni, azonban a nyári időszakban jelentős felesleget okozna, gazdaságosság szempontjából nem jó megoldás. A fedezeti fok megválasztásánál ésszerű cél lehet, hogy a fűtési időszakon kívül teljesen ki lehessen iktatni a fűtőkazánt. Ennek hátterében a csak háztartási melegvíz-előállítási üzemben rossz hatásfokkal működő kazán áll. Egy- és 20

21 kétlakásos családi házakban általában 100%-os nyári fedezeti fokra törekszünk, amely éves viszonylatban 60%-os fedezeti fokot jelent. Ez esetünkben is egy reális választás. 9. ábra. Hőszükséglet és hőnyereség a hónapok függvényében [26] A rendszer-kihasználtsági fok a rendszer energetikai értékelésére szolgál. E mutatószám alatt a szolárrendszer által megtermelt, fogyasztónak hasznos hőenergia és a kollektorfelületre besugárzott napenergia viszonyát értjük. E paraméter felső határa a jelenlegi technológiákkal kb. 70%-os értéket érhet el. Gyakorlatban azonban ennek a számnak a töredékét vagyunk képesek elérni a következő negatív befolyásoló tényezők miatt: 1. Nagy csőhosszak 2. Kevés vagy rossz hatásfokú hőszigetelés 3. Egyenetlen melegvíz-fogyasztási idők 4. Magas melegvíz-készenléti idők Fontos megjegyezni, hogy a rendszer-kihasználtsági fok és a fedezeti fok egymással ellentétesen viselkedik. Növekvő szolár fedezeti foknál csökken a rendszer-kihasználtsági fok, és fordítva. A 4. táblázat segítséget nyújt a kihasználtsági fok becslésénél, viszont figyelembe kell vennünk az előbb említett tényezőket, amelyek jelentősen ronthatják értékét. 21

22 4. táblázat. A fedezeti fok és rendszer-kihasználtsági fok értékei [10] Fedezeti fok [%] Rendszer-kihasználtsági fok [%] Egy- és kétlakásos családi házi berendezések melegvíz-készítéshez Egy- és kétlakásos családi házi fűtéskiegészítő berendezések A világossárgával jelölt sort tekintve, 60%-os fedezeti fokhoz - irányadó értékként - 30%-os rendszer-kihasználtsági fok párosul A KOLLEKTORFELÜLET MÉRETEZÉSE ÖKÖLSZABÁLY Ha a melegvíz-előállítás hőszükségletét, az iránybeállítást és hajlásszöget meghatároztuk, illetve a fedezeti fokot kiválasztottuk, akkor következik a kollektorfelület méretezése.a gyakorlatban egy nagyon egyszerű méretezési alapszabály terjedt el: 60%-os fedezeti fokhoz személyenként 1-1,5 m 2 síkkollektorra, illetve 0,8 m 2 vákuumcsöves kollektorra van szükség. Az ideális iránytól és dőlésszögtől való eltérés esetén a korábban ismertetett K hatásfok tényezőt is figyelembe kell venni a számításnál. PONTOS SZÁMÍTÁS A szükséges kollektorfelület az alábbi képlettel számítható ki pontosan: (2) ahol: Akoll [m 2 ]: nettó kollektorfelület Sfedezeti [-]: szolár fedezeti fok Srendsz [-]: szolár rendszer-kihasználtsági fok Qigény,hő [kwh]: éves hőenergia-igény a melegvíz-készítéshez Qbesugárzás [kwh/m 2 ]: 1m 2 -re eső éves szolár besugárzás K [-]: a kollektor tájolásától és dőlésszögétől függő tényező Saját példámnál maradva az alábbi szükséges kollektorfelület adódik: 22

23 Sfedezeti = 0,6 Srendsz = 0,3 Qigény,hő = 1500 kwh Qbesugárzás = 1400 kwh/m 2 K = 0,85 Természetesen nem kell ragaszkodni a fenti módszer szerinti pontos eredményhez, célszerű a piacon kapható modulméretekből választani, és azokból összeállítani az igényünknek legmegfelelőbb kollektorfelületet A KOLLEKTOR TELJESÍTMÉNYÉT LEÍRÓ FOGALMAK, MENNYISÉGEK A KOLLEKTOR HATÁSFOKA A piacon kapható számtalan napkollektor kiválasztását segíti a kollektorok hatásfoka, mellyel lehetőségünk van a berendezések összehasonlítására. A kollektor hatásfoka alatt a kollektor által a hőhordozó közegnek átadott energiamennyiség és a Nap által a kollektor felületére érkező energiamennyiség hányadosát értjük. A hatásfok megállapításához szükség van a napkollektor teljesítményét befolyásoló tényezőkre, a kollektor és környezete közötti hőmérséklet különbségre, és a napsugárzás intenzitását jellemző adatra. A hatásfokot nem lehet egyetlen, fix értékkel megadni, mivel függvénye egy sor külső, környezeti tényezőnek. A gyakorlatban egy jelleggörbe formájában szokás megadni ezt a mennyiséget AZ OPTIKAI HATÁSFOK A hatásfokgörbének a függőleges tengellyel való metszéspontja, a lehetséges maximális hatásfoka a kollektornak. Ez a mennyiség döntően a felület optikai tulajdonságától függ, vagyis hogy mekkora hányadát reflektálja vissza a beérkező sugárzásnak, illetve az abszorber elnyelő-képességének függvénye. 23

24 A NYUGALMI ÁLLAPOTBELI HŐMÉRSÉKLET Ez a napkollektor maximálisan elérhető hőmérsékletét jelenti, amely értéket a kollektorok jellemzőinél szokás feltüntetni. A maximális hőmérséklet elérése akkor következik be, ha a szolár-berendezés nem vesz át hőt, tehát a csővezetékekben nem cirkulál a munkafolyadék A LINEÁRIS HŐVESZTESÉGI EGYÜTTHATÓ A napkollektorra jellemző állandó érték, melytől a hőveszteségek lineárisan függnek. A berendezések teljesítőképességének mérésekor egy sor szabványos mérést végeznek rajtuk, hogy leírják viselkedésüket különböző üzemi állapotokban. A mérés során állapítják meg K1 értékét A NÉGYZETES HŐVESZTESÉGI TÉNYEZŐ Szintén a mérés során meghatározott, a kollektorra jellemző tényező. A hőveszteségek négyzetesen függnek K2 től A NAPSUGÁRZÁS INTENZITÁSA Megmutatja, hogy a Napból Föld 1 m 2 -nyi felületére mekkora energiamennyiség érkezik 1 másodperc alatt. Értéke a 7. ábra alapján becsülhető meg A HATÁSFOK FÜGGETLEN VÁLTOZÓJA A kollektor és levegő hőmérséklet különbség és a Napból érkező energia hányadosát értjük alatta. Értékét a következő képlettel tudjuk kiszámolni: (3) ahol: Tkoll [ C]: a kollektor átlaghőmérséklete Tlev [ C]: a levegő hőmérséklete A fenti fogalmak ismeretében az alábbi képlettel tudjuk meghatározni a kollektor hatásfokát leíró görbét. (4) ahol: η0 [-]: optikai hatásfok 24

25 0,000 0,017 0,033 0,050 0,067 0,083 0,100 0,117 0,133 K1 [-]: lineáris hőveszteségi együttható K2 [-]: négyzetes hőveszteségi tényező G [W/m 2 ]: a napsugárzás intenzitása X [Km 2 /W]: a hatásfok független változója Példaként tekintsük meg, hogyan alakulnak a hatásfokok függvényei néhány piacon kapható kollektor esetében. ɳ [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Ariston Kairos CF 2.0 típusú síkkollektor Ariston Kairos VT 15 típusú vákuumcsöves kollektor G=600 W/m 2 X [Km 2 /W] 10. ábra. Ariston Kairos CF 2.0 típusú síkkollektor és Ariston Kairos VT 15 Típusú vákuumcsöves kollektor összehasonlítása 2 2 A görbék megszerkesztéséhez szükséges kollektorok adatait a [10] és [18] forrásokból merítettem. 25

26 0,000 0,017 0,033 0,050 0,067 0,083 0,100 0,117 0,133 0,150 0,167 0,9 0,8 0,7 0,6 aurotherm classic VFK 990/1 típusú síkkollektor ɳ [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 aurotherm exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektor G=600 W/m 2 X [Km 2 /W] 11. ábra. aurotherm classic VFK 990/1 típusú síkkollektor és aurotherm exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektor összehasonlítása 3 Általánosságban elmondhatjuk, hogy a vákuumcsöves kollektorok jobb hatásfokkal működnek, jól alátámasztják ezt az állítást a fenti diagramok. 26

27 0,000 0,017 0,033 0,050 0,067 0,083 0,100 0,117 0,133 0,150 0,167 ɳ [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Tiszta időben (1000 W/m2) Párás időben (600 W/m2) X [Km 2 /W] 12. ábra. aurotherm exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektor viselkedése tiszta és párás időben 3 Tiszta időben gyakorlatilag minimálisan csökken a kollektor hatásfoka, ahogy a kollektor és levegő hőmérséklet különbség növekszik. Azonban ritka az ilyen kedvező időjárás, kisebb besugárzási értéknél jelentős hatásfokromlás tapasztalható ugyanazon kollektor esetében A KOLLEKTOROS-RENDSZER ÉVES HASZNOS TELJESÍTMÉNYE A kollektor éves hasznos teljesítménye: (5) 2,5 m 2 felülettel és 40 %-os átlagos hatásfokkal számolva: Qbesugárzás = 1400 kwh/m 2 K = 0,85 ɳ = 0,4 Akoll = 2,5 m 2 3 A görbék megszerkesztéséhez szükséges kollektorok adatait a [10] és [18] forrásokból merítettem. 27

28 A számítások szerint tehát a szolárrendszer 80 %-ban fedezi a melegvízelőállításához szükséges 1500 kwh-ás éves energiaigényt A TÁROLÓ ÉS A HŐCSERÉLŐ MÉRETEZÉSE A hagyományos melegvíz-készítési rendszerek tárolóihoz képest a szolárrendszerek tárolói nagyobb méretűek. Két okból kell a tároló űrtartalmat megnövelni. Egyrészt a szolárrendszer például téli napokon nem képes olyan magas hőmérsékletű vizet előállítani, mint a hagyományos rendszerek, ezért az alacsonyabb hőmérsékletű vízből nagyobb mennyiségre van szükség. Másrészt a derültebb napokon befogott napenergiát el tudják tárolni, hogy áthidalhassák a borultabb napokat. Viszont túl nagyra sem szabad méretezni. A gyakorlat azt mutatja, hogy a napi fogyasztás 1,5-2-szereséből kell kiindulni, de az 50 liter tároló űrtartalomnak meg kell lennie egy négyzetméter kollektorfelületre vetítve. Lehetőség szerint a szolár-berendezést célszerű kombinálni szabályozott utánfűtéssel. A szabályozást úgy kell beállítani, hogy az utánfűtés mindig a melegvíz-használat előtt történjen. A hőcserélő felületét úgy kell méretezni, hogy egy négyzetméter kollektorfelületre legalább 0,3 m 2-0,4 m 2 bordáscsöves vagy 0,2 m 2 simacsöves felület essen. Példámnál maradva, egy háromfős háztartás személyenként 35 literes melegvíz-fogyasztást feltételezve, kerekítve 100 liter meleg vizet igényel. Tehát liter űrtartalmú tárolóra van szükség. Ehhez 1,2 m 2 felületű bordáscsöves, vagy 0,6 m 2 felületű simacsöves hőcserélő párosul A CSŐVEZETÉKEK ÉS A SZIVATTYÚ MÉRETEZÉSE A csővezetékeken keresztül jut el a felmelegített munkafolyadék a tárolóhoz, majd onnan a lehűlt közeg visszaáramlik a kollektorba. A folyadék cirkulációját a szivattyú tartja fenn, melynek méretezése fontos az egész rendszer gazdaságos működése szempontjából. A kollektorkörben folyó térfogatáram a kollektorfelülettől függ. Egy- és kétlakásos házaknál körülbelül l/m 2 h térfogatárammal kell számolni, amely 2,5 m 2 -es kollektorfelületnél kb. 120 l/h térfogatáramot jelent. Tegyük fel, hogy a szolárrendszer csővezetékét 1/2 átmérőjű csövekből szeretném megépíteni. A vezeték becsült hossza 30 m. 28

29 Csőméretek: dcső = 15 mm = 0,015 m l = 30 m Térfogatáram: Q = 120 l/h = 0,120 m 3 /h = 1/30000 m 3 /s A fagyálló munkafolyadék sűrűsége: ρ = 1040 kg/m 3 Kinematikai viszkozitása: Így a csőkeresztmetszet a következő lesz: (6) A csőkeresztmetszet és térfogatáram ismeretében meghatározom a munkafolyadék sebességét: (7) A csővezetékrendszer nyomásveszteségének kiszámításához szükségem van a csősúrlódási tényezőre (ƛ), amely a Reynolds-számtól (Re) függ: (8) (9) A szerelvények veszteségtényezői, feltételezve, hogy 10 db könyök és 5 csap kerül beépítésre: A fentiek ismeretében meghatározom a csővezeték jelleggörbét: (10) A csővezeték vesztesége alapján katalógusból kiválasztom a Grundfos UPS 25-20/UPS típusú háromfokozatú keringtetőszivattyút. (Függelék: 7.1. adatlap) A diagram vízszintes tengelyén a térfogatáram szerepel. Ezt a mennyiséget ismerem, így behúzhatok egy függőleges egyenest. Tehát a diagramban a piros 29

30 vonal mentén állandó Q = 120 l/h értékű térfogatáram van. A veszteség ismeretében a függőleges tengelyen megkeresem a H = 0,7 m értéket. Számomra a 1. fokozat lesz megfelelő, mivel ekkor már elegendő térfogatáramot tud biztosítani a szivattyú TÁGULÁSI TARTÁLY MÉRETEZÉSE A tágulási tartály feladata, hogy a munkafolyadék melegedésekor bekövetkező tágulást felvegye. Célunk, hogy a biztonsági szelep ne lépjen működésbe gőzképződés esetén, mivel ezzel is energia kerülne ki a rendszerből. Vákuumcsöves kollektoroknál nagyobb méretű tartályra van szükség, ugyanis űrtartalmuk nagyobb, mint a síkkollektoroké. A tároló névleges űrtartalma a következő képlettel számítható: (11) ahol: Vtágulási [l]: a tágulási térfogat Vkoll [l]: a kollektor űrtartalma Vcső [l]: a csővezeték-tartalom pvég [bar]: a rendszer végnyomása ptöltési [bar]: a rendszer töltési nyomása A tágulási térfogat a rendszer teljes űrtartalmának kb. 8,5 %-a: Vtágulási = (Vkoll + Vcső) 0,085 (12) A rendszer végnyomásának 0,5 bar-ral kisebbnek kell lennie a biztonsági szelep megszólalási nyomásánál: (13) ahol: pbizt [bar]: biztonsági szelep megszólalási nyomása A töltési nyomásnak pedig 0,5 bar-ral nagyobbnak kell lennie a rendszer statikus nyomásánál: (14) ahol: ρ [kg/m 3 ]: a munkafolyadék sűrűsége g [m/s 2 ]: a nehézségi gyorsulás h [m]: a szolárrendszerben lévő folyadékmagasság 30

31 Az aurotherm exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektort veszem példának a következőkben. Ennek a fénybelépési felülete 0,82 m 2, kollektorűrtartalma 3,56 liter, maximális üzemi nyomása 6 bar. Három kollektor összekapcsolása esetén felületük 2,46 m 2, tartalmuk 10,68 liter lesz: Vtágulási = (Vkoll + Vcső) 0,085 = (10,69 + 5,4) 0,085 1,37 l Vkoll = 10,69 l Vcső = Acső l = 0, =0,0054 m 3 = 5,4 l A tároló névleges űrtartalma: Vagyis 30 literes tágulási tartályra van szükség. 31

32 3. NAPELEMES RENDSZER 3.1. A NAPELEMES RENDSZER FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE A napelem erőmű olyan összetett rendszer, amely a napelem cellákon kívül magában foglalja a következő berendezéseket is: kábelezés: a berendezéseket összekötő elektromos vezetékek összessége. inverter: magyarul feszültség átalakító, használatával egyenáramból váltakozó áramot tudunk előállítani. biztonsági földelés: érintésvédelmi eljárás, melynek során az elektromos eszközt a földdel, vagy a nulla vezetékkel kötjük össze, így elkerülve hogy kóboráramnál vagy rövidzárlatnál áramütést szenvedjünk. villámvédelem: elektromos eszközeink védelme érdekében, egy esetleges villámcsapásnál, annak energiáját egy villámhárítón és a hozzá kapcsolódó vezetéken keresztül a földbe vezetjük. transzformátor: olyan berendezés, amellyel átalakítjuk a váltakozó áram villamos teljesítményének feszültségét és áramerősségét. kommunikációs rendszer: azon eszközök és vezetékek, amelyek segítségével a napelemes rendszert hangoljuk össze. árammérő óra: a hálózatra, illetve a hálózatból folyó áram mérésére szolgál. 32

33 13. ábra. Napelemes rendszer [34] Kétféle módja van egy napelemes rendszer üzemeltetésének. Az ún. sziget üzemmódban a többletenergiával akkumulátorokat töltünk, szükség esetén pedig az akkumulátorokból fedezzük a hiányt. Ekkor nincs szükség transzformátorra. Ez a típusa a napelemes rendszereknek akár 1,5-2-szer drágább is lehet, mint a hálózatra kapcsolt, a jelenleg még igen magas előállítási költséggel bíró akkumulátoroknak köszönhetően. Hálózatra kapcsolt rendszernél a megtermelt, de pillanatnyilag fölösleges villamos áramot visszatápláljuk a villamosenergia szolgáltató hálózatába. [14] [15] 3.2. A NAPELEMEK FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE, FAJTÁI A napelem egy olyan berendezés, amely a napsugárzást képes közvetlenül elektromos egyenárammá alakítani. Tulajdonképpen egy fényelektromos hatás alapján működő pn-dióda, amely megvilágítás nélkül egyensúlyi állapotban van. Napsugárzásnak vagy mesterséges világításnak kitéve, fotonokat nyel el, melyek a pn-átmenetet polarizálják. Ekkor a p-réteg pozitív, míg az n-réteg negatív feszültséget kap, és a két réteg között fotoelektromos feszültség generálódik, az áramkörben pedig egyenáram fog folyni. [2] 33

34 14. ábra. A napelem felépítése 4 [35] Fényelektromos hatás vezetőknél éppúgy megfigyelhető mint szigetelőknél, azonban jelentősége a gyakorlatban a félvezetőknél van. Ezek az anyagok alacsony hőmérsékleten szigetelőként, magasabb hőmérsékleten vezetőként viselkednek. Leggyakrabban alkalmazott félvezetők a szilícium és a germánium. Az előbbi - stabilitása miatt - különösen alkalmas a napenergia hasznosítására, mivel elvileg korlátlan ideig változatlan marad. [3] A napelemeknek alapvetően három típusa van: monokristályos (15. ábra, középső) polikristályos (15. ábra, bal oldali) amorf (15. ábra, jobb oldali) 15. ábra. Napelem típusok [35] [36] MONO- ÉS POLIKRISTÁLYOS NAPELEM A különbség a két kristályos napelem között alapvetően a gyártási eljárásban van. Az egykristályos napelemeknél a gyártás során a nagy tisztaságú szilíciumot egy tömbben dermesztik meg, majd nyolcszög alakú cellákat vágnak belőle. Ezeket vízmentesen sorba kötik, és egy műanyag hátlap, valamint üveglap 4 EVA: etilén-vinil-acetát (polimer); Tedlar: a DuPont által gyártott polivinil-fluorid fólia fantázianeve. 34

35 közé helyezve rögzítik. A monokristályos cellák a legjobb hatásfokkal (15-18%) működő, leghosszabb élettartamú (30 év) napelemek, áruk viszont a legdrágább mind közül. A többkristályos napelemeknél a szilíciumot négyzet alapú tömbbe öntik ki, eközben az anyag több kristályban szilárdul meg. Az egykristályoshoz képest a többkristályos napelemek hatásfoka (10-13%), élettartama (20 év) előállítási költsége alacsonyabb. Ránézésre onnan lehet megkülönböztetni őket, hogy míg a monokristályos napelem nyolcszög, addig a polikristályos napelem négyzet alakú cellákból áll. [3] [12] AMORF NAPELEM Ennél a típusnál a szilíciumot néhány mikrométeres vastagságú rétegben viszik fel a felületre. A csíkokat utólag vágják a felületbe lézer segítségével kedvezőbb tulajdonságok elérése érdekében. Az amorf típusú cellák hatásfoka (6-8%) a legrosszabb, élettartama (10 év) a legrövidebb mind közül, ezt ellensúlyozza, hogy a legolcsóbbak a piacon. [3] [13] 3.3. A KISERŐMŰVEK HÁLÓZATRA CSATLAKOZTATÁSÁNAK KÖVETELMÉNYEI A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek nagyon jól működő, hatékony megújuló energiaforrásoknak számítanak. Ha süt a Nap, a rendszer a napsugárzás energiáját elektromos egyenárammá, majd váltóárammá alakítja, amelyet az épületben, vagy a napelemes telep közvetlen környezetében azonnal fel tudunk használni. Ekkor lényegében ingyen jutunk villamos energiához, a megtermelt többletenergiát pedig visszatápláljuk a közüzemi hálózatba, amelyet az energiaszolgáltató köteles átvenni. Ha több a pillanatnyi fogyasztás, mint amennyit a napelemek megtermelnek, akkor a közüzemi hálózatról látjuk el a háztartást villamos árammal. A közüzemi hálózatról fogyasztott, és az oda visszatáplált energiamennyiséget villanyórával mérjük, mely alapján megtörténhet az elszámolás a fogyasztó és a szolgáltató között. Jellemzően nappal van kisebb fogyasztás, mivel ilyenkor az emberek nem tartózkodnak otthon, viszont országos szinten a nappali időszak jelenti a csúcsot, ezt segít kielégíteni a napelemes rendszer. [15] 35

36 2008-tól a villamos energiáról szóló évi LXXXVI törvény, valamint annak végrehajtásáról szóló 273/2007. (X.19.) Korm. rendelet alapján kisfeszültségű közcélú csatlakozó fogyasztók (háztartások és vállalkozások is) 50 kva-ig (45 kw) úgynevezett háztartási méretű kiserőművet létesíthetnek. A háztartási méretű kiserőmű a felhasználó saját kisfeszültségű hálózatához csatlakozik nem haladja meg a felhasználóként rendelkezésre álló teljesítményt max. 50 kva névleges teljesítőképességű (egy átlagos lakás éves fogyasztásának megfelelő energiamennyiséget 2-3 kva-es napelemes rendszer megtermeli.) [15] A jogszabály szerint az elszámolás egyszerű szaldó számítással történik. Ennek alapján vagy tartozásunk van az áramszolgáltató felé vagy követelésünk, illetve az is előfordulhat, hogy annyit termeltünk meg, amennyit el is fogyasztottunk, ekkor senki nem fizet senkinek. A megtermelt többletenergiát a szolgáltató 85%-os fogyasztói áron köteles átvenni tőlünk. Az elszámolási időszak lehet éves, negyedéves vagy havi, melyet joga van a fogyasztónak megválasztani. Célszerű éves elszámolást kérni, ugyanis az el nem fogyasztott energia bekerül a közüzemi hálózatba, ahonnan az elszámolási időszakon belül bármikor visszavehető, így lényegében a hálózat tárolóként használható. Ezzel szemben, ha havi elszámolást kérünk, és többletenergiánk van (pl. nyáron), ugyan kifizetésre kerül a visszatáplált villamos áram, de csak az aktuális fogyasztói ár 85%-án. [15] 36

37 4. VILLAMOS ÁRAMOT ÉS HŐT ELŐÁLLÍTÓ NAPENERGIA HASZNOSÍTÓ RENDSZER 4.1. DUAL SOLAR-POWER (DSP ) ENERGY SYSTEM 16. ábra. Dual Solar-Power Energy System [38] Az NG Project Kft. által kifejlesztett találmány egy olyan berendezés, mely egyesíti a dolgozatomban korábban tárgyalt napenergiát hasznosító kétféle rendszert. A Dual Solar-Power (DSP ) Energy System képes egyidejűleg villamos energia, valamint hő előállítására. A berendezés parabolikus tükröző eleme a napsugarakat egy központi felületre vetíti, ahová így a napenergia koncentrált formában érkezik. A Napból érkező sugárzást egy félvezető anyagból készült, DENSE ARRAY típusú napelem alakítja át elektromos egyenárammá. E mögött helyet kapott egy hőcserélő rendszer, amely a napelem túlmelegedését hivatott megakadályozni. A cellák hűtése során meleg vízhez jutunk, amit fűtésrásegítésre vagy a háztartási melegvíz-igény kielégítésére használhatunk. A rendszer kéttengelyes, PLC vezérelt napkövető berendezéssel való ellátása biztosítja, hogy mindig, minden év- és napszakban a lehető legtöbb energia "befogását" érjük el. 37

38 Maximálisan 4,4 kw villamos áram és 10 kw hő előállítását tudja produkálni. A találmány a nap mozgását követő, és sugárzását fókuszáltan vetítő parabolatükörrel (1) rendelkezik, mely a koncentrált napsugarakat a cellákra (4) irányítja. Az áramköri hordozón elhelyezett cellák alatt a már fentebb említett hőcserélő rendszer (5) biztosítja a hőenergia hasznosítását. A cellák védelmét egy kis abszorpciójú védőüveget (3) szolgálja. A mérőeszközök mérik a szélsebességet, a sugárzás intenzitását, a hűtőfolyadék hőmérsékletét, valamint áramlási sebességét. Szükség esetén, az áramkör sugárzás elleni védelmét kitakaró lemez (2) biztosítja. Kitakarásra akkor kerülhet sor, ha leáll a hűtőközeg áramlása. A parabola fókusztávolsága (F) 1750 mm. Az egyenáram váltakozó árammá alakítását egy GROWAT 4400TL típusú inverter végzi. Így érhető el, hogy szükség esetén a felesleges energiát visszatápláljuk a közüzemi hálózatba, valamint hogy a legtöbb, váltakozó árammal működő háztartási gép használni tudja a megtermelt áramot. 17. ábra. A DSP felépítése A rendszer részei: 1: parabola 2: kitakaró lemez 38

39 3: védőüveg 4: napelem cellák 5: hőcserélő egység 4.2. A GLOBÁL ÉS DIREKT SUGÁRZÁS MÉRÉSE A berendezés koncentráló jellegénél fogva, kizárólag a Napból közvetlenül érkező, direkt sugárzás hasznosítására képes. Ennek meghatározása kétféleképpen történhet: méréssel vagy számítással. A meteorológia sugárzástanban két mérőeszközt használnak leggyakrabban. Ezek általában termoelektromos elven mérik a Napból érkező áramsűrűséget. A piranométer a globális sugárzást, vagyis a diffúz és a direkt sugárzást egyszerre méri. Ennek mérési eredményeit síkkollektorok illetve vákuumcsöves kollektorok esetében tudjuk felhasználni, mivel a sugárzás mindkét típusát hasznosítani tudják működésük során. 18. ábra. Piranométer [39] A piranométerrrel ellentétben a pirheliométer kizárólag az akadálytalanul, közvetlenül a Napból érkező sugárzás energiasűrűségét méri. Ehhez precíz napkövető berendezést kell biztosítani, hogy az eszközre mindig merőlegesen érkezzenek a napsugarak. Magyarországon jelenleg az Országos Meteorológiai Szolgálat végez piranométerrel mérést, amellyel a vízszintes felületre érkező globál sugárzás nagyságát, valamint pirheliométerrel a napsugarakra merőleges felületre eső direkt sugárzást rögzítik. Míg az előbbi nyilvános adat, az utóbbihoz díjazás ellenében lehet hozzájutni. [3] 39

40 19. ábra. Pirheliométer [40] 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, ábra. A direkt és globál vízszintes felületre érkező sugárzás havi összegeinek aránya Magyarországon 5 5 A diagram megszerkesztéséhez szükséges adatokat a [3] számú forrásból merítettem. 40

41 4.3. NAPGEOMETRIAI PARAMÉTEREK, A HŐNYERŐ FELÜLET ÉS A NAPSUGÁR VISZONYA A Földre jutó napsugárzás mennyisége elsősorban a Nap és a Föld egymáshoz viszonyított geometriai helyzetétől és a napsugarak beesési szögétől függ. Az NG Project Kft. által tervezett találmány napkövető berendezéssel való ellátása lehetővé teszi, hogy az eszköz mindig merőleges legyen a Napból érkező sugarakra. Ahhoz, hogy ki tudjuk számolni a DSP napkövető parabolájára érkező energia mennyiségét, a következő fogalmakkal tisztában kell lennünk. Napmagasság szöge: a Naphoz húzott egyenes és a megfigyelő horizontja által bezárt szög. Beesési szög: a felszínre érkező sugárzás és a felszín normálisa által bezárt szög. Nap azimutszöge: vízszintes síkon a napsugár vetületének elmozdulási szöge. [16] A Nap járását az égbolton ún. nappálya diagramok segítségével lehet síkban ábrázolni. Erre mutat példát a Budapestről készült 21. ábra. Leolvashatjuk róla a napmagasság szögeket, valamint a Nap azimutszögeit az év- és napszak függvényében. 21. ábra. Nappálya diagram Budapestről [41] 41

42 Egy internetes program segítségével a napmagasság szögeket havi és óránkénti bontásba kigyűjtve, a Függelék táblázatát kapom AZ OPTIKAI LÉGRÉTEG FOGALMA A Napból érkező sugárzás egészen a Föld atmoszférájáig akadálytalanul jut el. Ekkor a napsugarak egy négyzetméterre eső energiamennyisége G0 = 1353 W/m 2, amit napállandónak nevezünk. Azonban az atmoszféra felső határától kezdve intenzitása attól függően csökken, amekkora utat a légkörben megtesz, míg a földfelszínt eléri. A légkör befolyásoló hatását leíró mennyiség az optikai légréteg, melyet m-mel jelölünk. Segítségével megbecsülhető, hogy a napsugarak hány atmoszférányi utat tesznek meg, míg elérik a Földet. Az optikai légrétegre a következő összefüggés érvényes: (15) ahol: β[ ]: a napsugarak beesési szöge a napmagasság szöge [23] Vegyük például azt az esetet, amikor a napmagasság szöge 30, vagyis a függőlegessel bezárt szöge 60 : Ez azt jelenti, hogy ekkor a sugaraknak a légréteg vastagságának kétszeresét kell megtenniük. A táblázat mindegyik értékével elvégezve a műveletet az összes esetre megkapom az optikai légréteg vastagságát. (Függelék: táblázat) 4.5. A DIREKT ENERGIAMENNYISÉG Ismerve az optikai légrétegeket a év- és napszakok függvényében az alábbi képlettel számolhatom ki a direkt sugárzás intenzitását: ahol: G0 [W/m 2 ]: napállandó moptikai [-]: optikai légréteg [24] Például 60 -os beesési szögnél: moptikai = 2 (16) 42

43 A Függelék táblázat összes adatára elvégezve megkapom a Függelék táblázatát, ezt szemlélteti a 22. ábra. G direkt [W/m 2 ] Jan Febr Márc Ápr Máj Jún Júl Aug Szept Okt Nov Dec 22. ábra. A napsugarakra mindig merőlegesen álló, 1 m 2 -nyi felületre eső direkt sugárzás havonta és óránként A Függelék táblázatának értékeit oszloponként összegezve és egy hónapra vetítve (30-cal beszorozva) megkapjuk, hogy mekkora direkt energiamennyiség érkezik 1 m 2 -nyi, a napsugarakra merőleges területre havonta. 5. táblázat. 1 m 2 -nyi, a napsugarakra merőleges területre eső direkt energiamennyiség havonta Hó Jan Febr Márc Ápr Máj Jún Júl Aug Szept Okt Nov Dec Energia [kwh] Egy évre vetítve ez az érték 2772 kwh lenne. Ekkora energiamennyiséget akkor tudnánk hasznosítani, ha az év minden napja abszolút felhőmentes lenne. 43

44 4.6. NAPSÜTÉSES ÓRÁK SZÁMA A napsütéses órákra vonatkozó mérések adatai megmutatják, hogy mekkora óraszámban volt felhőmentes az ég, adott időszakban. A koncentráló napenergia hasznosító berendezések kizárólag az akadálytalanul érkező, direkt sugárzást tudják villamos- vagy hőenergiává alakítani, felhővel takart égboltnál teljesítményük nulla. A magyarországi időszakra vonatkozó napsütéses órák számát havi bontásban a Függelék táblázata mutatja. Ezen adatokból átlagértékeket képezve, majd osztva a havi lehetséges napfénytartam értékekkel megkapjuk a relatív napfénytartamot. (szintén Függelék: táblázat) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, ábra. Átlagos havi relatív napfénytartam Budapesten ( közötti adatok alapján) A DSP SZÁMÁRA HASZNOS ENERGIA Az 4.5. fejezetben kiszámoltuk, hogy mekkora direkt sugárzás érkezne a napsugarakra mindig merőleges 1 m 2 -es felületre, ha az égboltot soha nem takarná felhő. Az 4.6. fejezetből pedig az derül ki, hogy az egyes hónapok mekkora hányada felhőmentes. Tehát a Függelék táblázatában kiszámolt relatív napfénytartam értékekkel beszorozva az 5. táblázat értékeit megkapom, hogy hány 6 A diagramot a [21], [22] forrás adatai alapján készítettem. 44