Megújuló energiaforrások Napkollektorok Tanfolyami jegyzet 2010
TARTALOMJEGYZÉK Bevezetés... 1 Magyarország energia helyzete... 4 A megújuló energiaforrások... 6 A fosszilis energiaforrások... 6 A megújuló energiaforrások... 7 A különleges energiaforrások... 11 A megújuló energiaforrások... 12 A napenergia... 12 A napenergia hasznosítása... 18 Közvetett hasznosítás... 18 Közvetlen hasznosítás... 18 Passzív hasznosítás... 18 Az aktív hasznosítás változatai... 19 A napkollektoros rendszerek... 20 A napkollektor... 21 A napkollektorok veszteségei... 21 A napkollektorok típusai... 23 Sík kollektorok... 23 Fekete abszorber sík kollektorok... 23 Szelektív abszorberes sík kollektorok... 24 Vákuumos, vákuumcsöves kollektorok... 25 A napkollektorok kinyerhetı energia, a mőködés hatásfoka... 26 A napkollektor típusok összehasonlítása... 27 A napkollektoros rendszerek fı részei... 28 A napkollektoros rendszerek körei... 31 Egykörös rendszer... 31 Kétkörös rendszer... 31 A napkollektoros rendszerek méretezésének fı lépései... 34 A méretezés fı lépései... 34 A napkollektoros rendszerek alkalmazási területei:... 37 A napkollektoros rendszerek elınyei... 37 A napkollektoros rendszerek hátrányai... 38 A napelemek... 39 A napelem mőködési elve... 39 A napelemes rendszerek mőködése a következı lehet... 42 Sziget üzemmód... 42 Hálózati üzemmód... 42 Napelemes rendszer fı részei... 43 Naperımővek, napkohók... 46 A napteknı... 46 A naptorony... 47 A naptányér... 48 A napkémény... 49 Napelemes erımővek... 50 Magyarország és a napenergia... 50 Összegzés... 51
Bevezetés 2004-ben a világ energiafelhasználása 448 Ej volt, ami a fıbb energiaforrások között az alábbiak szerint osztott meg, miközben a népesség 6.5 milliárd fıt tett ki. A világ energiafelhasználása 2005-ben megújuló energiaforrások 11% atomenergia 6% vízenergia 2% olaj 36% földgáz 21% szén 24% Ennek az energiamennyiségnek a 63 %-át fejlett világhoz tartozó országok népessége fogyasztotta el és használta fel. A prognózisok szerint 2030-ban ami már nincs olyan messze- az energiafelhasználás 683 EJ lesz, ez 52 %növekedés, s közben a Föld népessége akkorára 8.5 milliárd fıre növekszik. 1
A világ energiafelhasználása 2030-ban megújuló energiaforrások 12% atomenergia 5% vízenergia 2% olaj 34% földgáz 24% szén 23% Ugyancsak az a prognózis jelzi azt is, hogy a fejlett országok részesedése a világ energia felhasználásából 53 %-ra csökken erre az idıszakra. A felhasználás többi része 47%- a a fejlıdı, feltörekvı országokra fog jutni (India, Kína, Indonézia ). Ez a jövıkép összefügg azzal, hogy a ma fejlıdıknek, feltörekvınek nevezett országokban a népesség is, és a gazdasági fejlettség is növekszik, ami elkerülhetetlenül növeli a világ energiaigényét és vélt fogyasztását. A Hubbert elmélet szerint az olajcsúcsnak jelenleg lehetünk tanúi, részvevıi, ezért az olaj részesedése fokozatosan, lassan, de csökken. Colin Campbell tézisei szerint a gázcsúcs még hátra van, ezért az olaj csökkenı részesedét a gáz még vagy 25-30 évig képes lesz kompenzálni, így a fosszilis energiahordozók szerepe, ha kis arányeltolódással is, de továbbra is meghatározó lesz. Mellettük azonban lassú tempóban növekedni fog a megújuló energiaforrások szerepe és részesedése, mert a következı évtizedben beköszönt az energia paradigma váltásának a korszaka. Ez a korszakváltás hasonló lesz, mint a szénkorszak megjelenése az 1700-as évek végén, az olajkorszak megjelenése az 1800- as évek végén, s a gázkorszak megjelenése a múlt század közepén ezek az energiahordozók néhány évtized alatt alapjaiban változtatták meg az akkori világ termelési és fogyasztási folyamatait (vasút, hajózás, feldolgozóipar, lakossági fogyasztás), gazdasági és társadalmi struktúráját. A gáz az utolsó ebben a nagy hármas fosszilis egységben, de már ennek is látszik a vége. A helyükre 2
új energiaforrások lépnek, s ez vetíti elıre a következı korszakot. Azonban ezek az energiaforrások nem alkotnak annyira markáns és egyértelmő, homogén felhasználási lehetıséget, mint elıdeik, idıben, térben, decentralizáltan jelentkeznek, ezért az átmenet a korszakváltás során hosszabb, változatosabb és bonyolultabb lesz. Sok helyen fogja még magát tartani az olaj, a gáz, mikor már máshol már teret nyernek a naperımővek, a szélfarmok, a geotermikus energiaforrások. A jövı energiatermelését és felhasználását a mainál nagyobb fokú decentralizáció és önellátás fogja jellemezni, a ma általános erımő uralom, túlsúly lazább lesz, csökkenni fog. Természetesen az energiahelyzet alakulását sok tényezı befolyásolja, köztük a technológia, piac, s nem utolsósorban a politika. Az árak, az ellátás biztonsága, a fejlesztés lehetıségei, az egyes államok szerepvállalásai döntik el, hogy kik lesznek e folyamat haszonélvezıi, vagy kárvallottjai. 3
Magyarország energia helyzete Magyarország 2007. évi globális energiamérlege a következı volt: Termelés (TJ) 423 458 Import (TJ) 849 719 (62,1 %) Export (TJ) 153 712 Felhasználás (TJ) 1 120 484 Az ország energiahelyzetérıl szólva említést kell tenni az importfüggıségrıl. Magyarország a felhasznált energia mennyiségének 62 %-át importálja, lévén energiahordozókban szegény, nyitott gazdaságú ország vagyunk. A felhasznált 1120484 TJ energiát a következı kategóriákba tartozó energiaforrások szolgáltatták: Földgáz 45 % Folyékony szénhidrogének 25 % Primer villamos energia 15 % Szén 10 % Megújuló energiaforrások 5 % A megújuló energiaforrások megoszlása energiahordozók szerint Tőzifa 47 % Egyéb biomassza 38 % Geotermikus energia 6 % Kommunális megújuló energiaforrások 4 % Bioüzemanyag, biogáz, szél, víz együttesen 5 % A megújuló energiaforrás kategóriában a hıenergia részesedése stagnáló, a megújuló energiaforrásokból elıállított villamos energiáé azonban növekszik (szélerımővek, fatüzeléses erımővek, motorhajtóanyagok alkalmazása). Magyarország és az Európai Unió közötti megállapodás alapján a megújuló energiaforrások részesedését növelni kell a hazai energiamixben. A cél 2020-ra elérni a 20 %-ot. Hogy ez mennyire lehetséges, az sok mindentıl függ, valószínő, hogy ebben a kérdésben még több célérték módosítás fog születni, de a 12 % elérése mindenképpen alapvetı elvárás az unió részérıl. 4
Az energiagazdálkodás területén nagy jelentısége van az energiapolitikának, amely Magyarországon a következı fı elemeket tartalmazza: ellátásbiztonság a legkisebb költség elve a gazdaságosság energiatakarékosság-hatékonyság megújuló energiák-környezetvédelem EU kooperáció, egyenrangú részvétel a liberalizált piacon, érdekérvényesítés A felhasznált energia megoszlása a felhasználó ágazatok szerint: Lakosság 37 % Ipar 23 % Szolgáltató szektor 19 % Közlekedés 18 % Mezıgazdaság 3 % Magyarország villamos energiatermelése 2000 és 2007 között 31 és 33 ezer GWh között változott évente. Az ország villamos energiafogyasztása ezt valamelyest meghaladta, ez 37 és 40 ezer GWh között változott. A különbséget az import-export szaldó biztosította, mely éves átlagban mintegy 11 ezer GWh exportot és mintegy 15 ezer GWh importot jelentett. A következı táblázat Magyarország villamos energia exportját és importját tartalmazza 2007-ben: Ország Export (GWh) Import (GWh) Szlovákia 9057 Ukrajna 105 3915 Románia 378 252 Ausztria 243 1455 Szerbia 3430 Horvátország 6536 Összesen 10692 14679 Energiahordozó Részarány (%) Atomenergia 38,7 Földgáz 34,5 Szén 19,5 Biomassza 5,4 Olaj 1,3 Vízenergia 0,6 Összesen 100,0 A magyar villamos erımő rendszer által felhasznált energiahordozók aránya 5
A megújuló energiaforrások Az emberiség ma három fajta energiaforrást használ. Ezek a - fosszilis energiaforrások, - a megújuló energiaforrások, - és a különleges energiaforrások A fosszilis energiaforrások A fosszilis energiaforrások a szén, a kıolaj és származékai, valamint a földgáz. Ezek jelentik ma a hagyományos energiai forrásokat, s felhasználásuk a teljes energiamixben eléri a 65-70 %-ot. Energetikai tulajdonságaik, alkalmazásuk, felhasználásuk körülményei, szerepük, természettel való kapcsolataik miatt ez a csoport egyre több kritikának, támadásnak, van kitéve. A velük szemben megfogalmazott bírálatok, három fı irányba mutatnak: Kitermelésük az utóbbi évtizedekben olyan méreteket öltött, hogy komolyan szóba került a készletek várható kimerülése, s ennek kihatása a mai és holnapi társadalmak, gazdaságok energiafelhasználására. Ennek a feltételezésének van megalapozott geológiai eredete (Marion King Hubbert olajhozam csúcs elmélete), azonban tompítják azok a tények, hogy a kutatások és feltárások tovább folynak, s bár egyre nehezebb körülmények között, de újabb és újabb lelıhelyeket fedeznek fel. További létjogosultságot ad a fosszilis energiahordózóknak az a folyamat, hogy az olaj és vele együtt a többi fosszilis tüzelıanyag alapvetıen növekvı ára öntözı lehet olyan készletek kitermelésére is, amelyeket a korábban alacsonyabb olajár miatt nem hoztak a felszínre. A fosszilis energiahordózókat hasznosításuk során elégetik, s az égés eredményeként felszabaduló hıenergiával együtt üvegházhatású gázok keletkeznek ( fıként széndioxid) amelyek a légtérben jutva káros hatásokat okoznak, elsısorban az ózonréteg elvékonyodása, az általános felszín hımérsékletnövekedés, szélsıséges idıjárási változások, el sivatagosodás, tengerszint emelkedés, sarki jégtakaró összezsugorodás formájában. A fosszilis energiahordózók nagyütemő, koncentrált mérető kitermelése az érintett helyszíneken a földfelszín megbontásával, a környezet jelentıs átalakításával, rombolásával jár. Nagy területeken történik erdısítés, talajrétegek elbontása növényzet, 6
élıvilág veszélyetetése, a használt eszközök, mőtárgyak, a kitermelt hasznos energiahordózó és meddı szennyezi a talajt, a felszíni és felszín alatti vizeket, a levegıt. E jelenségek mind együtt járnak az energiahordózók bányászatával. Az évtizedekig mőködı kitermelés hatására hegyek, hegyoldalak tőnnek el, erdık, növénykultúrák szőnnek meg, s a környék még a lelıhely kimerülése, a kitermelés megszüntetése után is csak évtizedek múlva képes valamennyire regenerálódni, de valójában már soha nem nyeri vissza eredeti állapotát. E fı indokok miatt az energiafogyasztó ember már régóta keresi azokat a lehetıségeket, amelyek a fosszilis energiahordozók szerepét jelentıségét, fontosságát képesek mérsékelni, s tudnak egyre inkább alternatívát kínálni velük szemben. Hosszú és kompromisszumokkal terhes idıszak ez, mely fokozatosan helyezi elıtérbe a más alapon energiát nyújtani képes forrásokat. A megújuló energiaforrások A megújuló energiaforrások olyan energia kinyerési alternatívák, amelyek nem az évmilliók alatt megkövesedett ásványokban égetéssel felszabadítható energiát kínálják, hanem ezek helyett a minket, embereket körülvevı természeti folyamatok és jelenségek energiatartalmát. Ezeket az energiatartalmakat más eszközökkel, módszerekkel lehet kinyerni, és kinyerésük során nem értelmezhetıek az olyan fogalmak, mint fogyás, csökkentés, mert a természet ciklikusan változó eseményei, folyamatai során a változások újra és újra rendelkezésünkre bocsátják azokat. E ciklusok tervszerő megcsapolása emberi léptékekben tulajdonképpen tényleg kimeríthetetlen energiaforrássá, energiavételezési lehetıséggé válhat. A fosszilis energiahordózókkal szembeni összevetés során megállapítható, hogy a megújuló energiaforrások: Éppen a megújuló jelzı jogos viselése miatt abban az értelemben nem fogynak el, ahogyan a fosszilis energiahordózók esetében erre lehet számítani. Egyes természeti eredető források közvetlen hasznosítása kiiktatja a tulajdon fogalmát is a folyamatból, így az érintett szél-, nap-, víz-, és földhıenergia természetes rendelkezésre állása a fizikai korlátok között biztos ellátást jelen. Nem képez stratégiai tulajdont, nem lehet a birtoklásával visszaélni, nem lehet fogyasztást korlátozni, embargó alá vonni, zsarolásra, politikai célok elérésére felhasználni. 7
Felhasználásuk, a belılük történı energiakinyerés során kivéve a biomasszákat- nincs szükség az égetésre, amely során üvegházhatású gázok keletkeznek és jutnak a légtérbe. A biomassza kategóriába tartózó energiahordozók ugyan égetés során hasznosulnak, de az így keletkezett széndioxid a globális légkör része, és nem növeli tovább annak CO 2 tartalmát. A megújuló energiaforrások a környezettel nagyobb szimbiózisban vannak, mint a fosszilis energiahordózók és azok kitermelési folyamatai. Bár a megújuló kinyeréséhez is speciális eszközök kellenek (szélerımővek, napkohók), s a vízerımővek egyikét alkotják a környezetet jelentıs mértékben átalakító mőtárgyaknak, a biomassza telepek és energiaültetvények is eltérnek a természet eredeti folyamataitól, ezek a beavatkozások aránytalanul kevesebb rombolást okoznak környezetükben, mint a fosszilis energiahordózók felhasználása. A megújuló energiaforrások önmagukban persze nem oldják meg a mai és a közeli jövıbeni- energiagondjainkat. A hagyományos fosszilis energiaforrások fent említett negatívumait Ugyan képesek részben kompenzálni, azonban leváltani rövid idın belül jelentıs mértékben a háttérben szorítani azokat még nem képesek. A megújulóknak is vannak még hátrányaik, koránt sem tökéletesek a következık miatt: - A megújuló energiaforrások sokkal nagyobb mértékben termeszt, vagy természeti folyamatfüggık, mint a fosszilisok, amelyek már évmilliókkal ezelıtt kiváltak a Föld bioszférából, annak folyamataiból. A napsütés, a szél, de a vízjárások is napszakonként, évszakonként, a földrajzi helyektıl függıen más más jellegőek, korlátozottan alkalmasak energia kinyerésre. Földünknek azokon az éghajlati övezeteiben, ahol van tél, a napenergia ott akkor a legkisebb intenzitású, amikor a legnagyobb szükség volna rá, s éjjel nem süt a nap a trópusokon sem. A szél is az egyik legszeszélyesebb meteorológiai jelenség, különösen kiszámíthatatlan a belsı szárazföldi vidéken. A biomassza termelése tenyészidık függvénye, ami legalább egy év a leggyorsabban növı fajták esetébe is. Ezek nem jellemzik a fosszilsokat, azok,,készen várják, hogy kitermeljék ıket a föld alól. A megújuló energiaforrások kinyeréséhez speciális eszközökre, technológiára van szükséges, ami ugyan már van, de napjainkba is folyamatosan fejlıdik, alakul. Ezek az eszközök, Technológiák drágák, részben az alkalmazott mőszaki tartalom, részben a beleinvesztált fejlesztési költségek miatt. A fosszilis energiahordozók kinyeréséhez szükséges technológiák 8
alapjai, továbbfejlesztett változatai már ki vannak dolgozva, ezen a téren már csak a finomítások, a járulékos környezeti fejlıdés (informatika, komputerizáció) hatásainak átvétele jelent nagyobb újdonságot. -A drága beruházási költségek miatt a megújuló energiaforrásokból nyert energia költsége nem versenyképes a fosszilisokkal, csak ha a piac természetes viszonyait némileg eltérítı támogatási rendszer kapcsolódik hozzájuk (támogatott beruházások, kedvezményes tarifa stb.) -A megújuló energiaforrások energiakoncentrációja elmarad a fosszilisokhoz képest. Talán a vízenergia és a biomassza képes versenyezni e téren, de ezek is csak megfelelı feltételek mellett. Vannak óriás vízerımővek több ezer MW teljesítménnyel, de ezek csak ott építhetık, ahol vannak nagy és bıviző folyók. A vízerımővek többségére ez sem jellemzı. A napenergia kinyerhetı mennyisége, a szélerımővek jelenleg még alacsony egységteljesítménye, a naperımővek és a geotermikus erımővek jelenlegi mőszaki teljesítménye még nem igazán szorongatja meg az olaj, gáz, vagy a szénlobby erımőveinek nagyságrendekkel nagyobb kapacitásait. Azt már említettük, hogy a megújuló energiaforrások természet, vagy természeti folyamatok ebbıl eredıen nem elhanyagolhatóan földrajzi helyfüggık. A fosszilis energiahordozók nem. Azok a kitermelés helyszínérıl a világ bármely más tájára elszállíthatók vasúton, hajón, csıvezetéken, így a kitermelés és a felhasználás helyszínei lehetnek távoli vidékek. Ugyanez nehezen oldható meg a megújulók esetében. A trópusi, vagy sivatagi nap és szélenergiából termelt áram, tárolása ma még nem, szállítása is csak korlátozott távolságokra és nagy költségek, valamint veszteségek mellett lehetséges. 2004-ben a világ energia felhasználása 448 EJ volt, miközben a népesség száma 6,5 milliárd fıt tett ki. Ennek az energiamennyiségnek a 63%-át a fejlett világhoz tartozó országok népessége fogyasztotta el és használta fel. A prognózisok szerint 2030-ban ami már nincs olyan messze az energiafelhasználás 683 EJ lesz, s a Föld népessége akkorára 8,5 milliárd fıre növekszik. Ugyancsak ez a prognózis jelzi azt is, hogy a fejlett országok részesedése az energiafelhasználásból 53%-ra csökken erre az idıszakra. Mit jelent ez? Azt, hogy a világ mondjuk ki ıszintén szegényebbik felén a gazdasági fejlıdés hatására nı az energiaigény, és mindent meg is tesznek majd azért, hogy ezt az igényt kielégítsék. İk India, Kína, Indonézia, néhány afrikai ország is részesedni akar abból a jóból, kényelembıl, komfortból, 9
amit a magasabb szintő energiafelhasználás eredményez. Vagyis az energia globális értelemben lesz stratégiai érték, árucikk, úgy, ahogy most még csak az olaj, vagy a gáz. A világ jelenlegi energiamixe a következı: - olaj 36% - szén 24% - földgáz 21% - megújuló energiaforrások 11% - nukleáris energia 6% - vízenergia 2% A 2030-ra várható prognózis talán azért is, mert a dátum már tényleg nincs messze a következıket jelzi: - olaj 34% - szén 23% - földgáz 24 % - megújuló energiaforrások 12 % - nukleáris energia 5% - vízenergia 2% ÜHG kibocsátás-megtakarítás az EU elektromos-energia iparában (millió t CO2 eq) Forrás: kibocsátás-megtakarítás 2007-ben, az IEA, IAEA és WEC fosszilis kibocsátás-adataival számolva és az Eurostat erımő termelési adatai alapján 10
A két negyedszázaddal eltérı idıpontra vetített tény és prognózis a következıket jelzi: Ezalatt a 25 év alatt döntı szerkezetváltozás nem lesz, tehát továbbra is tart a 3 nagy fosszilis energiahordozó uralma. A szén, olaj, gáz együtt képviselt 81 %- ot 2004-ben, ugyanık fognak képviselni szintén 81 %-ot 2060-ban is. Köztük el fog indulni egy arányeltolódás a gáz javára, de a fosszilisok még tartják magukat. A fenti prognózis egy sajátos Mindezeket látni, érzékelni kell, amikor a megújuló energiaforrásokkal foglalkozunk. A jövıben a szerepük vitathatatlanul növekszik, de a fosszilis energia még sokáig vezetni fogja a felhasználást a fentiek miatt. A helyes válasz a kihívásokra az ésszerő együttmőködés. Mindenhol alkalmazni a megújuló energiaforrásokat, és kiváltani a fosszilisokat, ahol ennek a technikai, környezeti feltételei adottak, és mindenhol ésszerően, takarékoskodnia az energiával. A jövı energiapolitikájának a kulcsszavai: energiahatékonyság és a megújulók folyamatosan növekvı arányú alkalmazása. Igaz ez még akkor is, ha a fosszilis energiaforrások - Hubbert elméletének ismeretében is még sokáig vezetı szerepet fognak játszani az energetikában. A energiagazdálkodás paradigmaváltása kikerülhetetlen. A különleges energiaforrások A különleges energiaforrások kategóriájába egyetlen energiaforrás van besorolva, az atomenergia. Ez nem is fosszilis, nem is megújuló forrás, ezért egyik csoportba sem helyezhetı, de mivel részesedése egyáltalán nem hanyagolható el sem a világ, sem Magyarország energiagazdálkodásában, mindenképpen indokolt egy külön kategóriát biztosítani számára. Az atomenergia felhasználása körül idınként felmerülı viták, a társadalmi elfogadottság, vagy éppen elutasítás is oka ennek a lépésnek. Nem lehet elvitatni a benne rejlı elınyöket, ami a nagyarányú energiakoncentrációban, a tiszta, légszennyezés nélküli üzemben, s a beruházási költségek hatását kiszőrve az alacsony termelési költségekben van. Nyomasztó azonban az is, hogy az atomerımővek biztonsága az emberek számára különösen a csernobili katasztrófa óta nem megnyugtató, továbbá nem megoldott a kiégett főtıelemek, mint nukleáris hulladékok szintén megnyugtató módon való kezelése, elhelyezése sem. Aggódnak az atomerımővek ellenzıi azért is, hogy a nukleáris potenciál stratégiai fegyveré válhat, melyet nem csak energiatermelésre, hanem katonai célokra is fel lehet használni, ha az nem megfelelı kezekbe kerül. Jegyzetünkben az atomenergia felhasználásával nem foglalkozunk. 11
A megújuló energiaforrások A fenti alapkategorizálás szerint a hazai szakmai felfogás az alábbi energiaforrásokat tekinti megújulóknak: 1. A napenergia 2. A szélenergia 3. A vízenergia 4. A geotermikus energia 5. A biomassza A napenergia A napenergia a Napból sugárzás útján a Földre jutó energia. A Föld a világőrben kering a Nap Körül, s ennek a térnek a hımérséklete mindössze 3k, azaz -270 C. Mégis ez sugárzási Energia, amely áthatol ezen a hideg közegen a Föld felszínét átlagosan 290 k, azaz 17 C Hımérsékletre melegíti fel. Hatalmas energiáról van tehát szó, különösen, ha arra gondolunk, Hogy ez a sugárzó energiafolyam kb. 150 millió km távolság után éri el bolygónkat. A napsugarak látható fénysugarakból, és nem látható ultraviola (ultribolya), valamint infravörös sugarakból állnak. Az ultraviola sugarak hullámhossza kevesebb, mint 400nm, az infravöröseké pedig több mint 800 nm. A sugárzás kilenc százaléka a hısugarak tartományába esik. A nap felületének a számítások és a mérések szerint mintegy 6000 C a hımérséklet, és 70000 és 80000 kw/m közötti a sugárzás intenzitása (hıárama). A 150 millió km-rel távolabb lévı Földre ennek Már csak egy töredéke jut, ám ez az energiamennyiség még mindig jelentıs nagyságú. Összehasonlító számítások szerint a napsugárzásból a Földre jutó éves energiamennyiség Mintegy 17-18 ezerszerese annak, amit a világ felhasznál. A napenergia mennyiségének jellemzésére legáltalánosabb elfogadott fizikai mennyiség a napállandó. Ennek értéke a Föld légkörének külsı peremén, a közepes Nap- Föld távolságára vonatkoztatva 1353W/m. Vagyis egységnyi felületre esı energiaáramról van szó. A napállandót mőholdakra telepített mőszerekkel mérik, értéke emiatt pontosnak tekinthetı, mindössze a napkitörések és napfolt tevékenységek miatt jellemzı rá kb. 1 %-os ingadozás. Ennek az energiának, amit a napállandó jellemez, csak egy kisebb hányada éri el a Föld 12
felszínét. Egy rész ( kb. 28 %-a) visszaverıdik a világőrbe, további 23%-a elnyelıdik, szóródik, így a Föld felszínére érkezéskor a sugárzási intenzitás már csak kb. 49%-a a napállandó értékének. De még ebbıl is van a földfelszínrıl visszaverıdés, ami 10% körüli érték. Így a napállandó ténylegesen hasznosítható hányada alatta marad az 50%-nak. Természetesen ezek a számok globális adatok, a Föld felszínén mért sugárzási intenzitás igen nagy eltéréseket mutat, ezt ugyanis számos tényezı befolyásolja, mint például: A földrajzi elhelyezkedés. A trópusokon, egyenlítı mentén viszonylag magas érték a jellemzı, itt a Nap magasan jár, nagy a beesési szög, s ha nincs felhı az égen, igen intenzív a sugárzás. Az egyenlítıtıl már távolabb kisebb a beesési szög, csökken a sugárzásból kivehetı energia mennyisége. A sarkkörök táján pedig az alacsony beesési szög miatt ez az energia mennyisége egészen csekély. Az évszakok változása. A föld felszínének különbözı pontjain idıben eltérı a sugárzás, mert eltérı évszakok vannak ott. A nyári jellemzıkkel bíró területek több, a téliek kevesebb energiát kapnak. A légkör felhıs állapota is jelentısen befolyásolja a sugárzási intenzitást. Felhıs, borús idıben a sugarak nagyobb része elnyelıdik a légkörben, kevesebb éri a felszínt. A levegı tisztasága is befolyásolja a sugárzási értéket. Szennyezett, terhelt légkörben a lebegı részecskék részben elnyelik, részben megtörik, az addig egységes sugárzást, ezzel gyengítve annak erejét. A szórt sugarak részben még begyőjthetık, de mindenképpen csökkentik az energiafolyam hatását. A levegı nedvességtartalma is elnyelı, szóró hatású, ezért a szárazföldi, kontinentális területeken a sugárzás erısebb, mint a tengerek felett, illetve a vízparti, nedvesebb klímájú vidéken. 13
A napsugárzás és a földi légkör elnyelı, visszaverı hatása Hivatkozás: http://www.acrux.hu/sun/pic/sun_1.png A mérések eredménye azt mutatja, hogy ideális esetben ami meglehetısen nehezen reprezentálható- a földfelszínt elérı sugárzás legfeljebb 1000W/m 2. ez azonban csak egy elvi maximum. A sugárzás típusai A napenergia az alábbi sugárzási formában éri el a Föld felszínét és hasznosítható: Közvetlen sugárzás Ez a tényleges napenergia, amit egyszerően napsütésnek nevezünk. A föld felszínét elérı közvetlen napsugárzás. Közvetett, vagy szórt sugárzás A fentiekben már említettük, hogy a föld légkörébe lépı napsugarak egy része a levegıben lévı nedvességcseppek, por és egyéb szennyezések hatására eltér eredeti irányától és szétszóródik, sıt még többszörös reflexión keresztül mehet. Ez a szórt sugárzás, ami a légkörben és a felszín felett rendkívül változatos módon oszlik el. Erıssége kisebb, mint a közvetlen sugárzásé, de fıleg hıtechnikailag elég jól használhatók, vagyis ezek a szórt 14
sugarak is befoghatók. Sajátossága, hogy közvetlen sugárzással ellentétben a szórt sugárzásnak nincs határozott sugárzási irányuk, a tér minden pontjából érkezik, s még egy borús téli napon is eléri az 50W/m 2 -t. Teljes sugárzás A teljes sugárzás a követlen és a szórt sugárzás összessége, összege. Egy-egy terület energiamérlegének készítése során e két sugárzás összegével számolnak, ezért az a meteorológiai megfigyelések legfontosabb értékadatainak az egyike. A napenergia, a napsugárzás szempontjából értékes területek, vidékek jellemzésére két adatok használnak: az évi napsütéses órák számát, illetve a napsugárzás évi átlagos összegét. Az elızı jellemzı adat mértékegysége óra, vagy óra/év, a másodiké kwh/m 2, év. Az elsı azt mutatja meg, hogy az adott területen mennyi a napsütés, felhı nélküli idı egy év alatt órákban számolva, a második pedig azt, hogy az adott területre négyzetméterként a napsütésbıl mennyi energia érkezik szintén egy év alatt kwh-ban számolva. A napsugárzás intenzitása Európában. A térkép az Európára sugárzott éves napenergia mennyiségét mutatja területi elosztásban kwh-ban számolva egy négyzetméter területre számítva 15
A napsugárzás intenzitása Magyarországon A térkép azonos színő területei mutatják az évi globális napsugárzás energiamennyiségét Magyarországon kwh-ban egy négyzetméter területére vonatkoztatva A Nap sugárzása maximum 1000 W/m 2 jut a Föld felszínére. A napsugárzás intenzitása még változó idıjárás esetén is jelentıs mértékő. A napsütéses órák átlagos havi értékei Magyarországon Hivatkozás: http://www.jamila.hu A napenergia hasznosítás Magyarországon nagymértékben függ a napsütéses órák számától, amelyet földrajzi és éghajlati adottságok jelentısen befolyásolnak. Magyarországon a sokéves statisztikák alapján 1000-1350 kw/m 2 -es napenergia mennyiséggel lehet számolni. Pl. Budapest déli részén 1200-1250 kw/m 2 az évi napenergia mennyiség. 16
Déli tájolású, 45-os dılésszögő felületre érkezı globális napsugárzás havi alakulása. Hivatkozás: http://www.jamila.hu/images/sug.jpg Napsugárzási térkép 17
A napenergia hasznosítása A napenergia hasznosításának fı lehetıségei Közvetett hasznosítás A napenergia minden földi életének, természeti folyamatnak az alapja. Ez mozgatja a vízciklust, a szélciklust, a növények fejlıdését, a napenergia raktározódik el az ásványokban, a foszilis energiahordozókban. Vagyis, amikor energiáról beszéltünk, akkor a napsugárzás különbözı hatásait, annak termékeit emlegetjük, Ezek mind a napenergia közvetett, másodlagos felhasználásait jelentik. Közvetlen hasznosítás A közvetlen hasznosítás a fentiekkel ellentétben a napenergiának valóban közvetlenül, direkt módon történı felhasználását jelenti. Azt, amikor ténylegesen az aktuális sugárzásban rejlı energia mennyiségét akarjuk elvenni, vagy megcsapolni magunknak valamilyen módon. A közvetlen hasznosítás további változatai Passzív hasznosítás Errıl akkor beszéltünk, amikor a napsugárzás körülményeit igyekszünk a magunk javára hasznosítani, de nem külön energianyerı eszközök alkalmazásával, hanem környezetünknek, épületeinknek a napsugárzás és az ebbıl eredı energia folyamatok természetéhez való illesztésével. Ez elsısorban építészeti kategória, az épületek tájolásával, árnyékolásával, ablakainak kialakításával, hıszigetelésével érhetı el. Ennek eredményeként az épületek, objektumok kevés energiát igényelnek az optimális hıegyensúlyuk fenntartásához, alacsony lesz A főtési, illetve hőtési igényük. Az ilyen épülteket nevezik passzív házaknak is. Aktívnak nevezzük a napenergia hasznosítását akkor, ha annak során a sugárzás minél nagyobb hányadát ki akarjuk nyerni és ennek érdekében erre a célra készített eszközöket és kidolgozott technológiákat alkalmazunk. 18
Az aktív hasznosítás változatai Fotovillamos eljárások Ezek során a napsugárzás energiájából közvetlenül villamos áramot termelünk. A nap sugárzásában lévı energiának villamos energiává alakításnak az eszközei a napelemek. A fotovillamos eljárások a napelemek alkalmazásának, fejlesztésének. Hıhasznosító eljárások A napsugárzás hıtartalmának begyőjtésére és minél nagyobb arányú kinyerésére kidolgozott eljárások. Két fı csoportjuk létezik, az alacsony hımérséklető és a magas hımérséklető technológiák. Alacsony hımérséklető eljárások (napkollektoros rendszerek) Ezek a napkollektorok alkalmazását jelentı technológiák. Ezen az úton viszonylag kis mennyiségő energia és annak viszonylag alacsony hımérsékleten történı kinyerésérıl van szó. Néhány tucat négyzetméter felülető napkollektor felülető rendszerek, melyek családi házak, nagyobb lakóépületek, irodák tetején vannak elhelyezve, s céljuk elsısorban meleg víz elıállítása vagy főtés kiegészítı rendszerként való üzemeltetése. Az alacsony hımérséklető jelzı itt kettıs jelentéső: egyrészt a kollektor hıközvetítı közegének a hımérsékletét jelenti, ez általában nem haladja meg a 120-140 C-t. másrészt jelenti az alkalmazott főtési rendszerekben (padlófőtés, falfőtés, mennyezetfőtés ) az alacsony (30-45 C) hıközvetítı közeg alkalmazását. Magas hımérséklető eljárások (naperımővek, napkohók) Ezek olyan technológiák, ahol a napsugarak energiáját nagy menriyiségben, nagy arányban és koncentráltan igyekeznek speciális technológia segítségével kinyerni, s az így kinyert hıenergiát már nem főtésrásegítésre, melegvíz készítésre, hanem erımővi körülmények között gızfejlesztés útján villamos áram termelésre használni. Ezek az eszközök, és technológiák olyan teljesítményőek és mőszaki tartalmúak, és kiépítésőek, hogy itt már indokolt a nap erımő, napkohó elnevezés is. 19