NAPENERGIA TERMIKUS ÉS FOTOVILLAMOS HASZNOSÍTÁSA INNOVÁCIÓK AZ EU-BAN

NAPENERGIA TERMIKUS ÉS FOTOVILLAMOS HASZNOSÍTÁSA INNOVÁCIÓK AZ EU-BAN SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR KÖRNYEZETIPARI RENDSZEREK INTÉZET Fizika és Folyamatirányítási Tanszék 2103 Gödöllő Páter K. u. 1. Tel: (06-28) 522055 Fax: (06-28) 410804 Fizika.Tanszek@gek.szie.hu http://fft.szie.hu Farkas István, DSc egyetemi tanár, intézetigazgató E-mail: Farkas.Istvan@gek.szie.hu 1/65

2/65 TARTALOM Bevezetés Napsugárzási viszonyok Fototermikus rendszerek Fotovillamos rendszerek Integrált energetikai/technológiai rendszerek Referenciák Szoláris potenciál

3/65 BEVEZETÉS Az energiatermeléshez kapcsolódó környezeti problémák Az energiaszektor szerepe az üvegházhatású gázok kibocsátásában Energiaintenzitás nemzetközi összehasonlításban A napenergia helye a megújuló energiaforrások között A megújuló energiák és az Európai Unió energiapolitikája

A napsugárzás spektrális eloszlása a hullámhossz függvényében O 3 abszorpció NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (1/13) Sugárzási intenzitás, kw/m 2 m 2,0 1,5 1,0 0,5 Látható fény Intenzitás a légkör határán Átlagos sugárzásszint a földfelszínen Szórt sugárzás A szóródás miatti veszteség H O abszorbció 2 CO abszorbció 2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Hullámhossz, m 4/65

Intenzitáshányad 5/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (2/13) A napmagasság hatása a napsugárzás intenzitására 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 30 60 90 Napmagasság, fok

Napmagasság, fok NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (3/13) A napmagasság alakulása az idő függvényében 80 Hónapok 70 60 50 40 30 20 10 65 62 54 42 32 22 J, J M, A Á, SZ M, O F, N J, D 5 6 7 8 9 10 11 12 19 18 17 16 15 14 13 Idő, óra 6/65

7/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (4/13) A homályosság számszerűsítésre alkalmazott mérőszám tipikus értékei: tiszta idő, derült nap 2; hegyvidéki területek 2,8; falu 3,5; város 4; ipari területek 5. A visszaverődés mértékét kifejező számot albedonak nevezzük. Értéke néhány tipikus felszíni lefedés esetén a következő: friss hó 0,84; kavics, durva homok 0,15; erdő 0,05-0,18; földfelszín átlagos 0,42.

8/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (5/13) A földfelszínre jutó napsugárzás alakulása Napállandó: 1.353 W/m 2 Visszaverődés: ~100 W/m 2 A légkör határa Elnyelés a légkörben: ~250 W/m 2 direkt szórt A földfelszínt elérő sugárzás max.: ~1.000 W/m 2

NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (6/13) A teljes napsugárzás évi átlagos összege Magyarországon MJ/m 2 -ben 17 o 18 o 19 o 4400 48 o 4200 4300 Miskolc 4500 Móvár Budapest Debrecen 4600 4700 47 o 4200 4300 4600 Szeged 46 o Pécs 4400 4500 20 o 21 o 22 o 9/65

10/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (7/13) Az évi átlagos napsütéses órák száma Magyarországon 17 o 18 o 19 o 1900 48 o 1900 1900 2000 2000 Miskolc Móvár Budapest 2000 Debrecen 47 o 46 o 1800 1900 Pécs 2000 2100 Szeged 2100 2000 20 o 21 o 22 o

11/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (8/13) Budapesten vízszintes felületre naponta és havonta érkező átlagos napsugárzás Hónap Átlagos besugárzás, kwh/m 2 nap Összes besugárzás, kwh/m 2 hó Január 0,7756 24 Február 1,468 41 Március 2,733 85 Április 4,13 124 Május 5,171 160 Június 5,75 172 Július 5,807 180 Augusztus 4,988 155 Szeptember 3,82 115 Október 2,184 68 November 0,826 25 December 0,533 15 Évi összes: 1.164

12/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (9/13) Budapesten havonta lehetséges és tényleges napsütéses órák száma és aránya Hónap Lehetséges, óra/hó Tényleges, óra/hó % Január 278 58 20 Február 289 85 29 Március 371 140 38 Április 411 196 47 Május 470 250 53 Június 477 275 57 Július 480 309 64 Augusztus 440 283 64 Szeptember 376 213 56 Október 336 145 43 November 280 60 21 December 264 43 16 Évi összes: 4.472 2.057 46

13/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (10/13) Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok (derült napra), W/m 2 -ben Hónap Óraköz 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 04 05 23 2 05 06 7 57 76 52 17 06 07 22 97 141 176 136 91 31 07 08 32 102 200 277 300 255 225 122 53 2 08 09 37 100 192 292 364 384 356 316 234 129 55 34 09 10 96 197 301 381 469 482 445 409 328 221 125 90 10 11 140 257 358 449 549 555 521 495 406 279 192 130 11 12 191 272 420 518 589 594 530 543 449 326 229 161 12 13 188 268 416 503 576 599 565 542 460 330 230 168 13 14 151 247 365 477 534 556 548 516 427 281 195 140 14 15 94 184 273 417 476 481 461 439 347 214 140 90 15 16 35 110 193 289 369 391 341 329 242 134 63 32 16 17 34 70 171 257 271 254 225 129 43 2 17 18 18 62 148 161 135 114 34 18 19 10 60 66 50 20 19 20 5 2

14/65 Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok (borult napra), W/m 2 -ben Óraköz NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (11/13) Hónap 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 04 05 15 8 05 06 17 40 58 49 19 06 07 29 63 76 86 84 52 27 07 08 26 82 87 95 114 100 86 59 40 6 23 08 09 28 57 98 106 106 133 115 103 85 65 39 47 09 10 52 75 117 120 117 140 134 116 93 83 63 57 10 11 67 83 125 128 125 150 149 127 102 90 70 60 11 12 79 88 126 128 124 153 151 135 103 95 70 60 12 13 77 89 125 134 143 161 145 129 102 98 72 55 13 14 68 83 117 124 130 152 151 130 98 91 70 44 14 15 53 74 108 116 122 136 144 115 89 80 64 22 15 16 34 54 93 100 126 134 128 95 78 66 40 16 17 21 69 78 126 115 114 76 60 38 7 17 18 29 51 95 92 90 60 25 18 19 10 52 66 53 24 19 20 14 11

15/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (12/13) Az elnyelőfelület geometriai viszonyai I A felület normálisa m ß 90 o - DÉL Horizontsík a

16/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (13/13) Budapestre, déli tájolású elnyelő felület esetén néhány tipikus β-érték a következő: téli üzem (decembertől februárig) nyári üzem (júniustól augusztusig) egész éves üzem 76,2, 18,5, 43,5.

17/65 A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS FŐ MÓDJAI termikus napenergia-hasznosítás (napkollektor) fotovillamos napenergia-hasznosítás (napelem) passzív napenergia-hasznosítás

18/65 A TERMIKUS NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS SÉMÁJA Melegvíz fogyasztók Napkollektor Tápvíz Szivattyú Tároló tartály

19/65 A FOTOVILLAMOS NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS SÉMÁJA Fotovillamos panel Kisfeszültségű fogyasztók Töltésszabályozó Inverter =12V/~230V Hálózati fogyasztók Tároló akkumulátor

20/65 FOTOTERMIKUS RENDSZEREK Az aktív termikus hasznosítás elemei Technológiai melegvíz készítése Egyéb alkalmazások

21/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (1/9) Mivel az érkező, viszonylag "híg" energia általában kevés a koncentrált felhasználásra, ezért valamennyi fototermikus berendezésre érvényes, hogy: a sugárzás felfogására viszonylag nagy hasznosító felület szükséges, a nagy felület elhelyezése főként a tájolás és az árnyékmentesség miatt figyelmet igényel, a beérkező sugárzást optikai eszközökkel megsokszorozhatjuk, napkövető rendszerek alkalmazása.

22/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (2/9) Fedetlen elnyelő medencevíz melegítésére Tetőre fektetett kivitel EPDM szőnyeg Melegvíz Hidegvíz

23/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (3/9) Dobozos kollektor metszete Fényáteresztő fedés Elnyelőlemez (abszorber) Hőszigetelés Csővezeték Burkolat

24/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (4/9) Osztó-gyűjtős sík-kollektor

25/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (5/9) A hatásfokot kétféle veszteség befolyásolja: optikai veszteség, amely a lefedés visszaverő és áteresztő képességétől és az elnyelőlemez abszorpciós képességétől függ, ez az optikai veszteség független a napkollektor és a környezet hőmérsékletétől; hőveszteség, amely a napkollektor és a környezet hőmérséklete közötti különbségtől függ. A hatásfokot általában relativ X=(t koll -t körny )/I glob változó függvényében ábrázoljuk.

AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (6/9) Hatásfokdiagram 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 X, m 2 K/W 26/65

27/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (7/9) Hatásfokdiagram különböző sugárzási (I, W/m2) értékek mellett 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 I k =1.000 I k =600 I k =800 I I =400 k =200 k 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (T k -T a ), K

AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (8/9) Különböző típusú napkollektorok jellemző hatásfokgörbéi 1. Lefedés nélküli sík-kollektor 2. Nem szelektív sík-kollektor 3. Szelektív sík-kollektor 4. Vákuumos sík-kollektor 5. Vákuumcsöves kollektor 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 5 4 3 X, m 2 K/W 28/65

29/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (9/9) Szoláris hőtárolók a. Fûtõköpenyes b. Csõkígyós Meleg víz Meleg víz Kiegészítõ fûtés Kollektorba Hidegvíz Cirkuláció Kollektorból Kiegészítõ fûtés Hideg víz Kazánból Kazánba Kollektorból Kollektorba Leeresztõ csonk

30/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (1/8) Szoláris kisberendezés előregyártott elemekből 1 Napkollektor Szivattyúegység 2 Automatika 3 4 Meleg víz Hõcserélõs tároló Hideg víz

31/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (2/8) A szoláris berendezés tervezése a következő fő lépésekből áll: melegvíz-szükséglet, energiaigény megállapítása, kollektorfelület meghatározása, tárolótérfogat meghatározása, hőcserélő mérete, csőátmérők meghatározása a szolár-körben, keringtető szivattyú teljesítményének meghatározása, kiválasztása, tágulási tartály térfogatának meghatározása, kiválasztása

32/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (3/8) Az átlagos napi melegvíz szükséglete literben: V = n V 1 ahol: n - a melegvizet felhasználó személyek száma, - a személyenkénti melegvíz fogyasztás [liter/nap], V 1 V 1 értékére napi literben mért fogyasztásra a következő értékek vehetők alapul: - magas igények: 60-120, - átlagos igények: 40-60, - alacsony igények esetén: 30-40. A szükséges tárolókapacitás literben: V t = (1,3-1,7) V

33/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (4/8) Az igényelt melegvíz előállításához szükséges hőmennyiség [Wh/nap]-ban: Q = 1,1 c ρ V (t m t h ) ahol: c ρ t h t m - 1,16 Wh/kgK a víz fajhője, - 1 kg/l a víz sűrűsége, - 15 C a hálózati hidegvíz hőmérséklete, - 45-60 C a tárolt melegvíz tervezett hőmérséklete.

34/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (5/8) Átlagos összsugárzás vízszintes felületen Magyarországon Hónap I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Wh/m 2, nap 1,00 1,77 2,72 4,08 5,14 5,69 5,71 5,10 3,91 2,51 1,02 0,76 A felhőzet átlagos aránya Magyarországon Hónap I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Felhőzet, % 70 65 59 58 54 52 46 43 46 57 71 77 A nyári félévben hasznosítható hőmennyiség átlagos értéke: Q nyár ~ 2,8 kwh/m 2 nap A téli félévben hasznosítható hőmennyiség átlagos értéke: Q tél ~ 1,1 kwh/m 2 nap

35/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (6/8) A napkollektoros rendszert úgy célszerű méretezni, hogy átlagos nyári napon a szükséges melegvíz mennyiséget 100 %-ban előállítsa. Ennek megfelelően a szükséges kollektorfelület [m 2 ]-ben: F k = 1,2 Q / (k Q nyár ) ahol: 1,2 - a külső veszteségeket és a meteorológiai ingadozásokat figyelembe vevő tényező, k - a tájolás és a dőlésszög hatását figyelembe vevő hatásossági tényező.

Hatásosság, % TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (7/8) A napkollektor hatásossága a tájolás és a dőlésszög függvényében 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 +/- 45 +/- 60 +/- 90 Tájolás Dél = 0 +/- 15 +/- 30 Vízsz. 0 15 30 45 60 75 Függ. 90 Dőlésszög, 36/65

37/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (8/8) Kollektorok összekötése

38/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (1/6) Közvetlen hasznosítású gravitációs berendezés

39/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (2/6) Monoblokk vízmelegítő berendezés Elektromos Hőszigetelés pótfűtés Tartály Burkolat Hidegvíz Melegvíz Kollektor

40/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (3/6) Nyaralók temperálása napkollektorokkal KollektormezQ Temperáló Hálózat Fűtő szolártároló Meleg víz Hideg víz

41/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (4/6) Úszómedence fűtésének elvi vázlata Abszorber szőnyeg Automatika Medence Szűrő Kiegészítő fűtés

42/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (5/6) Levegős munkaközegű berendezés Nyári üzem Gyűjtő csatorna Ventillátor Befúvó csatorna Levegő belépés

43/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (6/6) Levegős, kőágyas napkollektoros szárítóberendezés Kollektormezõ Levegõ-visszaszívás Levegõbefúvás a szárító helyiségbe Kõtároló Utófûtõ kazán Ventilátor

44/65 FOTOVILLAMOS RENDSZEREK a fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai napelem technológiák és jellemzőik fotovillamos modulok és generátorok fotovillamos energiaellátó rendszerek koncepciói

45/65 Integrált szoláris energetikai/technológiai rendszer W G M - Interface egység - Meteorológiai állomás - Vizes kollektor - Tároló tartály - Növényház - Átkapcsoló - Napelem mező - Akkumulátor - Levegős kollektor - Szárító - Transzparent szigetelés C I S B PV T I A D

46/34 46/65 REFERENCIÁK : Moduláris felépítésű szoláris szárító (Gödöllő, 1996)

47/34 47/65 REFERENCIÁK : Transzparens szigetelésű fal (Gödöllő, 1996)

48/34 48/65 REFERENCIÁK : Napkollektoros úszómedence (Gödöllő, 2000)

49/34 49/65 REFERENCIÁK : Családi ház napkollektorral (Gödöllő, 2000)

50/34 50/65 REFERENCIÁK : Napkollektoros növényházi fűtés kiegészítés (Gödöllő, 2001)

51/65 REFERENCIÁK : Koncentrátoros naperőmű (Almeria, Spanyolország, 2002)

A kollektormező csövezése 52/65

Mozgató mechanizmus 53/65

Tároló tartály 54/65

55/65 T ref Robosztus blokk m T ref ~ M -1. v T amb T in I Kollektor mező T amb T in I Modell hiba T out Modell (M) m T out Fototermikus naperőmű irányítási algoritmus

56/65 REFERENCIÁK: 10 kw-os hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszer (Gödöllő, 2005)

A SZIE 10 kw-os PV ERŐMŰ MONITOROZÓ TÁBLA: 57/65

58/65 REFERENCIÁK: Hordozható fotovillamos berendezés (Gödöllő, 2006)

59/65 Szoláris termikus potenciál A napkollektorok segítségével történő aktív napenergia-hasznosításra alkalmas felület a következő évtizedben 32,25 millió m 2. Magyarország teljes aktív szoláris termikus potenciálja: 48,815 PJ/év. Szoláris termikus potenciál a mezőgazdaságban három fő területen (a növényházi fűtést, a szoláris szárítást és a technológiai melegvíz készítését) való napenergiahasznosítást tesz lehetővé, a mezőgazdasági termelés hőigényeit kielégítve. Ez a szoláris potenciál összesen: 15,91 PJ/év.

Fotovillamos potenciál A fotovillamos rendszerek szabad területeken telepítve erőművi alkalmazásokat szolgálnak, épületek tetőfelületére szerelve vagy épületek homlokzatába integrálva helyi energiaellátásra alkalmazhatók (autonóm, vagy hálózatra kapcsolt üzemmódban). Hazánkban a technikailag kedvezően beépíthető felület: 4051,48 km2 (beleértve a vasutak és autópályák mentén való létesítésre felhasználható területeket is). Figyelembe véve a felületek dőlésszög megoszlását, valamint a napelemek hatásfokát, a teljes fotovillamos energetikai potenciál: 1749 PJ/év. 60/65

61/65 Passzív szoláris termikus potenciál A passzív szolár termikus potenciál elsősorban a napenergia építészeti hőhasznosítására felhasználható energia. A szolár-bioklimatikus építészet technikai módszereivel (épületek tájolása, napterek, integrált homlokzati hőelnyelőtároló elemek alkalmazása, kedvező helyiségbeosztás, hőveszteség-csökkentés) hasznosított napenergiával hagyományos energiahordozók takaríthatók meg. Döntően a meglévő épületállomány rekonstrukciójára alapozva, hazánk teljes passzív szoláris termikus potenciálja: 37,8 PJ/év.

Környezeti hatások A jelenlegi helyzetet figyelembe véve a napenergiahasznosítás energetikai és környezeti hatásainak értékeléséhez mintegy 300 ezer m 2 napkollektorral és 400 kwp teljesítményű telepített napelemmel számolhatunk. Ezek a számok a napkollektoros rendszerek esetén 450 TJ/év hőenergia-hozamot, illetve 36 ezer tonna olajegyenértéknek megfelelő légszennyeződés-csökkenést jelent. A napelemes rendszerek esetén átlagos adatokkal számolva az előállított villamos energia nagysága 2,05 GJ/év, ami évente 468 t CO 2 -kibocsátás megtakarításával egyenértékű. 62/65

TETŐBE INTEGRÁLT NAPKOLLEKTOROS VÍZMELEGÍTŐ 63/65

NAPKOLLEKTOROS ÚSZÓMEDENCE 64/65

Köszönöm a megtisztelő figyelmet! 65/65