A NAP ÉS SZÉLENERGIA EGYÜTTES HASZNOSÍTÁSÁNAK METEOROLÓGIAI VONATKOZÁSAI A TISZÁNTÚL TÉRSÉGÉBEN. Lakatos László 1. Összefoglalás

Átírás

1 A NAP ÉS SZÉLENERGIA EGYÜTTES HASZNOSÍTÁSÁNAK METEOROLÓGIAI VONATKOZÁSAI A TISZÁNTÚL TÉRSÉGÉBEN Lakatos László 1 Összefoglalás A megújuló légköri erőforrások (napenergia, szélenergia) használatának gyökerei hazánkban mélyre nyúlnak vissza. Szélmalmokat a múlt században széles körben használták gabona őrlésére az Alföld számos településén. Ha tehát, az akkori alacsonyabb technika szint mellett is alkalmas volt a szél energia termelésre, akkor ma miért nem látunk szélturbinákat, szélfarmokat szerte az országban? Ugyanezt el lehet mondani a napenergiáról is. A nap általi vízmelegítésnek, fürdésre, zuhanyzásra való használatra, termény szárításra, hosszú múltra visszavezethető hagyományai vannak hazánkban. Jelen tanulmányban azt mutatjuk be, hogy a két energia forma együttesen milyen nagyságban áll rendelkezésre az év folyamán. Mekkora, milyen nagyságú évszakos különbség a két energia forrás egyidejű rendelkezésre állásában, milyen havi és napszakos, illetve órás szórással, varianciával jellemezhetők a vizsgált paraméterek. A nap és szélenergia klimatikus adatbázisát közötti órás sugárzás energia valamint szélsebesség mérések képezik, melyek a DE, MTK, Agrometeorológia Obszervatóriumából származnak. Emellett a Környezetvédelmi Minisztérium A nap és szélenergia együttes hasznosítási lehetőségei a Tiszántúl térségében támogatott pályázatának keretében beszerzésre került egy nap és szélenergia mérő illetve előállító rendszer. A 24m magas nap szélenergia hibrid rendszert kiegészíti egy 3 m-es meteorológiai mérőtorony, így az energia termelés és az elméleti energia számítás egyidejűleg megvalósítható. A 24m-es toronyra egy Whisper-H8-as 1kW-os turbina van felszerelve, melyhez tartozik 5 db 4W-os napelem. A napelemek a 4 égtáji irányban vannak beállítva, míg egy szolgáltatja a vízszintes kontrollt. A 3 m-es toronyra 1-en illetve 3m-en szereltünk fel szélsebesség illetve szélirány mérőket, 2m-es magasságban hőmérséklet és globálsugárzás mérőt. A telepítés Nagykálló határában lévő almáskertben történt 24 februárjában. Amennyiben megismerjük napsugárzás intenzitásának illetve szélenergiának az időbeli struktúráját, ingadozását, főbb statisztikai jellemzőit, lehetőségünk nyílik a jelenleginél eredményesebb együttes hasznosításukra. A nagykállói projek első néhány hónapos működése által előállított adatok és eredmények, ehhez kívánnak adalékot szolgáltatni. 1 Dr. Lakatos László, Földtudomány PhD, egyetemi docens, Debreceni Egyetem,Mezőgazdaságtudományi Kar Erőforrásgazdálkodási Tanszék,lakatos@helios.date.hu

2 Bevezetés, probléma felvetés A környezetbarát energiaforrások minél szélesebb körű alkalmazása jelen korunk egyik kiemelt feladata, hiszen a rendelkezésre álló hagyományos energiafajták mennyisége csökken, a kitermelési költsége pedig egyre nő. Így szükségszerű, hogy az elkövetkező években olyan új energiaforrásokat hasznosítsunk, melyek hosszú távon biztos energiaszolgáltatást tesznek lehetővé. A közeljövőben egyre nagyobb hangsúlyt kell kapnia azoknak a törekvéseknek, beruházásoknak, melyek a megújuló természeti erőforrásokból, (a szél, napenergia, vízienergia, biomassza, biogáz előállítása valamint a geotermikus energia) esetleg ezek kombinációjából állítanak elő energiát. Európa számos országában már családi gazdaságok, háztartások szintjén is alkalmazásra kerültek olyan szélgenerátorok, napelemek, napkollektorok, melyek hatékony segítséget nyújtanak a háztartások energia költségének csökkentéséhez számos esetben teljesen fedezni is tudják a felhasznált energiát. Az Északi-tenger partján fekvő országok a szélenergia hasznosításban köztudottan jóval kedvezőbb feltételekkel rendelkeznek. Sokan úgy gondolják, hogy a Kárpát-medence nem alkalmas terület a szélenergia előállítására. Ez a megállapítás egyáltalán nem állja meg a helyét. A medence jellegű fekvésben ugyanis rejlenek szélenergia hasznosítási lehetőségek. Lehet, hogy nem fordulnak elő olyan erős szelek mint a tengerparti országoknál, de gondoljunk csak a bukószelekre, a lejtőn való leáramlásokra a katabatikus szelekre, a szélcsatornákra, ezek mind-mind olyan helyi lehetőségek, amelyeknek hazánkban is nagy gyakorisággal előfordulnak és a kihasználása még nem történt meg kellő mértékben. Korábban Magyarország területén több száz szélmalom működött. Ha valaha, az akkori alacsonyabb technika szint mellett is alkalmas volt a szél energia termelésre, akkor ma miért nem látunk szélturbinákat, szélfarmokat szerte az országban? Ennek oka részben az információ hiányával magyarázható. Nem áll rendelkezésre megfelelő részletességű széltérkép hazánk területére. Az Országos Meteorológia Szolgálat főként un. főállomásokon, melyek a megyeszékhelyeken találhatók, és néhány egyéb sajátságos helyzetű, fekvésű településen, Kékestetőn, Siófokon, stb. végez szélsebesség mérést. Ezeknek a szabvány magassága 1 m. Ebben a talajközeli rétegben meglehetősen erősen érződik a felszín, a növényzet, illetve a városok épületeinek szélsebesség módosító hatása. A fellépő súrlódás következtében ebben a magasságban jelentősen fékeződik a légmozgás sebessége. Ez a magasság energetikai szempontból túlságosan alacsony szintnek tekinthető. Mivel a szél sebessége a függőleges mentén felfelé haladva logaritmus, vagy hatvány függvény szerint növekszik, 2-3 m-es vagy még inkább 5-6 m-es magasságban, lényegesen nagyobb a szél sebessége, ami azt jelenti, hogy ebben a magasságban a rendelkezésre álló hasznosítható szélenergia is lényegesen nagyobb. A jelenleg rendelkezésre álló hálózatszerű széladatok másik hiányossága, hogy a ritka állomáshálózat miatt, sok olyan terület van az országban, ahol egyáltalán nem áll rendelkezésre korábbi időszakban mért széladat. A rendelkezésre álló adatokról számos esetben elmondható, hogy a mérőállomások a város épületeinek légmozgást fékező hatása miatt szélárnyékba kerültek, így a reprezentativitás sok helyen már nem teljesül, azaz az adatok nem használhatók fel számítások, tervezések céljára.

3 A szél információ hiányának okait a fentiek alapján következőkben összegezhetjük: kevés a mérőhelyek száma (2-3) nem megfelelőek az elhelyezés körülményei energetikai szempontból nem megfelelő magasságban történik a szélsebesség mérése A szélenergia előállítás legnagyobb problémája, hogy általában kis szélsebességek fordulnak elő, erősebb szelek ritkábbak és rövid ideig tartanak ezért gazdaságosan üzemeltetni, csak lassú járású széturbinákat lehet (Patay, 1985). A szélturbinákat ezért hazánkban különösen körültekintő módon kell telepíteni. Meg kell találni az un. szélcsatornákat és a turbinák tengelymagasságát a lehető legtávolabbra kell helyezni a felszíntől. A napenergia hasznosításnak szintén megvannak a gyökerei hazánkban. A napenergiás termény szárítás Sembery (199) szerint igen jelentős arányt jelent a teljes mezőgazdasági energia felhasználásban. Fürdés céljára is igen régóta állítanak elő meleg vizet nyaralóban, hétvégi házakban. Az utóbbi évtizedben megjelentek a napkollektorok, napelemek, melyekkel jó hatásfokkal állíthatunk elő használati melegvizet vagy elektromos áramot (Fenyvesi-Luch, 1982). Napelemes rendszereket elsősorban olyan helyeken, kezdték el telepíteni, ahol nem állt rendelkezésre elektromos hálózat (Kacz-Neményi, 1998). A sziget rendszerű telepítés nagy hátránya, hogy a nyári többlet energia tárolása nem oldható meg hosszú távon, télen pedig sokszor alulméretezettek a napenergia ellátó rendszerek. A hálózatba betápláló rendszereknél nem jelentkezik ilyen probléma A napenergia szolgáltatás legnagyobb problémája, hogy éjszakai órákban egyáltalán nem áll rendelkezésre energia, valamint téli időszakban, aránylag csekély a hasznosítható napenergia mennyisége. Mivel mind a szél, mind pedig a napenergia használatában mutatkoznak nehézségek, nézzük, meg, hogy együttesen mennyire lehet a két energia fajtát hasznosítani. Anyag és módszer A nap és szélenergia klimatikus adatbázisát közötti órás sugárzás energia valamint szélsebesség mérések képezik, melyek az DE, MTK Agrometeorológia obszervatóriumából származnak. Emellett a Környezetvédelmi Minisztérium A nap és szélenergia együttes hasznosítási lehetőségei a Tiszántúl térségében támogatott pályázatunk keretében beszerzésre került egy nap és szélenergia mérő illetve előállító rendszer. Mely egy 24m-es illetve 3 m-es toronyból áll. A 24m-es toronyra egy Whisper-H8-as 1kW-os turbina van felszerelve, melyhez tartozik 5 db 4W-os napelem. A napelemek a 4 égtáji irányban vannak beállítva, míg egy szolgáltatja a vízszintes kontrollt. A H8 propeller átmérője 3 m, a lapát munkaterülete 7,3 m 2.

4 A H8-at állandó mágneses generátora, és egyedi mechanikája teszi képessé, hogy más szélturbinákhoz hasonlítva kategóriájában a legtöbb energiát képes hasznosítani. A 3 m-es toronyra 1-en illetve 3m-en szereltünk fel szélsebesség illetve szélirány mérőket, 2m-es magasságban hőmérséklet és globálsugárzás mérőt. A telepítés Nagykálló határában lévő almáskertben történt 24 februárjában. A nagykállói térség szélenergia szempontjából nincs kellően feltérképezve, így a mérés reményeink szerint jól használható adatokat fog szolgáltatni. Az ÉK-i- Kárpátok alacsonyabb vonulata következtében a térségben létrejövő szélcsatorna, várakozásaink szerint hatékonyabb energia szolgáltatást fog kínálni, mint azt korábban gondolták. Méréseinkkel ehhez szeretnénk bizonyítékokat szolgáltatni. A térség magaslati pontja nemcsak a szélenergia mérésére, hanem a napenergia hasznosítására is jó lehetőséget biztosít. Horizont korlátozás minimális a kiemelkedő terep miatt. Az éghajlati adatbázis segítségével vizsgálhatjuk, hogy milyen valószínűséggel áll rendelkezésre a nap folyamán külön-külön, illetve együttesen a két energia szolgáltató lehetőség. Amennyiben az elmúlt 1 év óránkénti napsugárzás és szélenergia adatokat

5 előállítjuk, azt vehetjük észre, hogy szélenergia a téli és kora tavaszi időszakokban, míg a napenergia elsősorban nyáron áll rendelkezésre nagyobb arányban (1.ábra). A rendelkezesére álló szél és napenergia százalékos megoszlása az egyes hónapokban % 8% Arány (%) 6% 4% 2% napsugárzás szél % Hónapok augusztus szeptember november december 1.ábra Amennyiben ismerjük a havi átlagos szélsebességeket, felvetődik a kérdés, hogy ezt elérő illetve meghaladó sebességi értékek, milyen gyakran, milyen valószínűséggel fordulnak elő a Tiszántúl-térségében. A 2. ábrán látható, hogy bár a tavaszi hónapok átlagsebessége a legnagyobb, ennek a nagyobb szélsebességi értéknek az előfordulási valószínűsége általában 35-4% közötti. Realatív gyakoriság (%) A havi átlagos szélsebességet elérő illetve meghaladó szélsebességek előfordulási valószínűsége / / Hónapok augusztus szeptember november december 2. ábra

6 A napsugárzás intenzitását a felhőzet, (domborzat, fekvés, kitettség) jelentősen befolyásolja. Legnagyobb mértékű bizonytalansági tényezővel téli időszakban számolhatunk, ebben a nagyfokú borultság mellett a gyakori köd is nagy szerepet játszik (3.ábra). 55, A havi átlagos napsugárzás intenzitást elérő illetve meghaladó napsugárzások előfordulási valószínűsége / / 5, Realatív gyakoriság (%) 45, 4, 35, 3, 25, 2, 3. ábra 15, 1, Hónapok augusztus szeptember november december A nap és szélenergiát vizsgálatához, összehasonlításához, együttes rendelkezésre állásához mindkét mennyiséget azonos mértékegységben kell kifejeznünk. Két fizikai mennyiség formájában tehető meg az összehasonlítás, teljesítmény illetve energia adatokat elemezhetünk. A szél esetében leggyakrabban a fajlagos elméleti teljesítményt határozzák meg (1. egyenlet). P fajl. elm ρ 2 v 3 = 1. egyenlet ahol ρ a levegő sűrűsége, v a szél sebessége. A levegő sűrűségét befolyásolja a levegő hőmérséklete és nyomása. Így a hidegebb nagyobb légnyomású levegőnek (télen gyakoribb ez az irányítású időjárási helyzet) nagyobb a szélenergia tartalma. Legtöbbször a levegő sűrűséget állandónak veszik. A 1 C-hoz és normál 113 hpa légköri nyomáshoz tartozó levegő sűrűség ρ=1, kg/m 3 Amennyiben a levegő sűrűségénél figyelembe vesszük a hőmérsékletet és légnyomást, az alábbi összefüggés segítségével tehetjük ezt meg (2. egyenlet): [ hpa] [ C] ρ,349 p lev = T 2. egyenlet (Roth, 2)

7 ahol p, a légnyomás, T a hőmérséklet. Ha a 2. egyenlet alapján meghatározott értékhez viszonyítva vizsgáljuk meg, kisebb hibát (2-2,5%) vétünk abban az esetben, ha Gay-Lussac törvény alapján állandó nyomás mellett fejezzük ki a gáz térfogatát illetve egységnyi tömeg mellett a sűrűségét 3. egyenlet. ρ ρ = 1 + β T 3. egyenlet ahol ρ a C-hoz tartozó sűrűség, β a levegő térfogati hőtágulási együtthatója, T a hőmérséklet. A sűrűség becslés havonkénti átlagos hibája látható a 4. ábrán, ha csak a hőmérsékletet vesszük figyelembe. A fajlagos elméleti szélteljesítmény becslésének átlagos hibája amennyiben csak hőmérsékletet vesszük figyelembe 3 2,5 2 Hiba (%) 1,5 1,5 Hónapok augusztus szeptember november december 4. ábra Abban az esetben, ha állandónak vesszük a levegő sűrűségét, a 2. egyenlet alapján meghatározott sűrűségi értékhez viszonyított hiba nagysága, a nyári időszakban eléri, illetve meghaladja az 5%-ot (5. ábra).

8 A fajlagos elméleti szélteljesítmény becslésének átlagos hibája constans levegő sűrűség esetén Hiba (%) Hónapok augusztus szeptember november december 5. ábra A szél estében tudjuk, hogy a magasság növekedésével, logaritmus, vagy hatvány függvény szerint nő a szél sebessége. Fontos kérdés annak az eldöntése, hogy becsülhetjük-e, s ha igen milyen hibával nagyobb magasságokra a szél sebességét. Az idei tavasz mérési eredményeinek birtokában ellenőriztük, az egyik leggyakrabban használt (Honti és Tóth, 1988, Barótfi, 1993) szélsebesség számító formulát. h2 v 2 = v egyenlet h ahol, v 2 -a h 2 magasságban mért szélsebesség (m/s) v 1 - a h 1 magasságban mért szélsebesség (m/s) h 2 a számításba vett magasság (m) h 1 a mérés magassága a talaj szinttől (m) 1 Az eredmények azt mutatják, hogy a számított és mért értékek meglehetősen jól egyeznek, a meghatározott regressziós kapcsolat,1%-os szinten szignifikáns kapcsolatot jelez (6. ábra).

9 18, 16, 14, A 3m-en mért és számított szélsebesség kapcsolata 24 tavaszán Nagykállóban y = 1,23x +,872 R 2 =,676 Számított érték (m/s) 12, 1, 8, 6, 4, 2, 6. ábra, Mért érték (m/s) A szoros kapcsolat azonban nem zárja ki, hogy esetenként akár 6-7 m/s-os tévedések is előfordulhatnak a számítás során, ezért, ha egy mód van rá, célszerűbb és főleg megbízhatóbb a mérés mellet maradni. A 4. egyenlet alapján előállított, napsugárzás és szél teljesítmény értékeket súlyozva az előfordulási gyakoriságukkal, a havonkénti együttes fajlagos teljesítmény értékek nemcsak a mérés szintjében (1m), hanem nagyobb magasságban (3m) is meghatározhatók (7. ábra). 14 Nap és szél együttes súlyozott (fajlagos) átlagos teljesítménye (W/m2) Teljesítmény (w/m2) együttes 1m napsugárzás szél 1m szél 3m együttes 3 m 7. ábra Hónapok augusztus szeptember november december Az ábrán jól látható, hogy november és március közötti időszakban a havi átlagos szélteljesítmények meghaladják a napsugárzás teljesítmény értékeket.

10 A szél közismerten jelentősen fluktuáló meteorológia paraméter. A napi átlagos szélsebesség menetet szemlélve (8. ábra) jól látható, hogy mind a 1m-es, mind pedig a 3mes magasságban a délelőtti órákban nő meg jelentősebb mértékben a szélsebesség ingadozása. Ez a konvekció beindulásának a labilitás növekedésének köszönhető. A 1m-es magasságban kora délután már kisebb mértékű ingadozás jelentkezik a szélsebességben, míg a 3m-es szint esetében a délutáni szórás meghaladja a délelőtti értékeket (8.ábra). Az órás szélsebesség adatok átlagos szórásának napi menete 1m es illetve 3 m -es magasságban 24 tavaszán Nagykállóban szélsebesség (m/s) 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 1m-en mért szélsebesség szórása 3m-en mért szélsebesség szórása Órák 8. ábra Amennyiben az átlaghoz viszonyított sebesség ingadozások (CV értékek) átlagos napi menetét szemléljük, az állapíthatjuk meg, hogy a 3m-es magasságban a délutáni óráktól kezdve csökken a szél variabilitása, míg a 1 m-es magasságban csaknem az egész nappali időszak folyamán kisebb ingadozásoktól eltekintve 1%-os variabilitást tapasztalhatunk (9. ábra) Az órás szélsebesség adatok átlagos varianciájának (CV) napi menete 1m es illetve 3 m -es magasságban 24 tavaszán Nagykállóban CV érték (%) m-en mért szélsebesség CV értéke 3m-en mért szélsebesség CV értéke Órák 9.ábra

11 A meteorológia elemek átlagos napi, havi menetének meghatározásánál fontos kérdés, hogy hány pontból, milyen mintavételezési gyakoriság mellett történik az átlag vagy összeg képzés. A napi átlagos fajlagos szélteljesítmény meghatározásával többek is foglakoztak. Az egyik megközelítés egy trigonometrikus polinomokból álló Fourier-sor első két tagjának integrálásával (Tar. at al, 22), a másik eljárás egy relatív csúszó átlagos módszer (Tar et. al 21) melynek segítségével a napi átlagos szélteljesítmények meghatározhatók. A szélsebesség mérések, hasonlóan a sugárzás mérésekhez, percenkénti mintavételezéssel, 1 percenkénti átlagolással történnek. A valódi óraátlagok így hat mérés átlagából származtathatók. Amennyiben egy rövid időszak, mondjuk 1 perc alapján szeretnénk meghatározni az óraátlagokat, akkor a közben változó szélsebesség miatt bizonyos hibával tehetjük ezt meg. A becslés hibája a kora délutáni órákban elérheti a 1-14%-ot (1.ábra). Óránként egy 1 perces átlagból számított szélsebesség óraátlagának eltérése a hat 1 perces átlagból számított értéktől (24 tavasza, Nagykálló) m 3m Eltérés (%) Óra 1. ábra Összegzés, következtetések A bemutatott eredmények meggyőzően bizonyítják, hogy a nap és szélenergia együttes hasznosításában igen jó lehetőségek rejlenek hazánkban is. Mind a napenergia mind pedig a szélenergia meglehetősen változékony, ugyanakkor sajátságos időbeli hozzáférést biztosító energia forma. Amennyiben megismerjük ezen két változónak az időbeli struktúráját, ingadozását, főbb statisztikai jellemzőit, lehetőségünk nyílik a jelenleginél eredményesebb együttes energia hasznosításukra. A nagykállói projekt ehhez kíván adalékokat szolgáltatni. Az első néhány hónap adatai biztatóak. A mérések birtokában választ kaphatunk a napi, órás illetve 1 perces adatok olyan belső struktúrájára, amire vonatkozóan nem voltak korábbi párhuzamos mérések. A szél és napsugárzás együttes idő és térbeli viselkedésének vizsgálatával reményeink szerint hatékonyan segíthetjük a (nap-szélenergia) hibrid rendszerek szélesebb körű hazai elterjedését.

12 Köszönetnyilvánítás Ezúton köszönöm a Környezetvédelmi Minisztériumnak, hogy KAC programban a K H számú A nap és szélenergia együttes hasznosítási lehetőségei a Tiszántúl térségében pályázathoz jelentős összegű támogatást nyújtott. IRODALOM Barótfí I. (szerk) (1993): Energia felhasználói kézikönyv. Széchenyi Nyomda Kft. Győr Fenyvesi L.-Luch A.(1982): Napenergia hasznosító berendezések a mezőgazdaságban. Műszaki Fejlesztési eredmények. 146/1982 Honti V-Tóth L (1988) : A szélenergia hasznosítása. Mezőgazdasági Energetikus sorozat 19. Bp. Kacz-K.-Neményi M.(1998): Megújuló nergiaforrások. Mezőgazdasági Szaktudás kiadó. Bp. Patay I. (1985): Lassú járású szélmotorok üzemi jellemzői. Járművek, Mezőgazdasági Gépek, 32 évf. 3. sz p. Roth G. (2) Meteorológiáról mindenkinek. Magyar könyvklub. Bp. Sembery P. (szerk) (199): Energia takarékos technológiák és berendezések a mezőgazdaságban. OKKFT G4 program Tar-K-Kircsi A-Szegedi S (21): A possible statistical estimation of wind energy. European wind energy conference Tar-K-Kircsi A-Vágvölgyi S (22): Temporal changes of wind energy in Hungary in connection with the climate change. Global Windpower Conference and exhibition.