G03 eladás* Werner Roth, Robert Kaiser* Fraunhofer Institute for Solar energia Systems ISE, Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg Tel: +49-(0)761-4588-5227, Fax: +49-(0)761-4588-9217, E-mail: werner.roth@ise.fraunhofer.de, Internet: www.ise.fraunhofer.de *Free-lance scientist 1 Bevezetés Az energiaellátás jövre való hatása mindinkább vitatéma a fenyeget globális klímaváltozás hatása ellen, amelyet nagyrészt a fosszilis tüzelanyagok felhasználása okoz (olaj, szén, gáz). Az egyik legfontosabb feladat napjainkban ily módon a stratégiák és rendszerek fejlesztése az ökológiai szemléletek figyelembevételével történ energiaszolgáltatás megteremtéséhez. Napjaink perspektívája, hogy a megújuló energiaforrások, mint a nap és a szél minden feltételt kielégít alkalmazása szükséges a jöv energiaellátásába behelyezve. Továbbá ezen energiaforrások kimerítetlenek, nem úgy, mint a fosszilis tüzelanyagok tartalékkészleteinek kiaknázása, amelyek végesek. A napsugárzás alapveten különbözik a fosszilis tüzelanyagoktól formájában és jellemziben is. A napsugárzás természetét meg kell ismerni, ha a napenergiafelhasználás lehetségeit és határait meg akarjuk érteni. A következ fejezetek a sugárzás fizikájának lényegét vázolják fel a napenergia gyakorlati felhasználásának elméleti és szükséges összefüggéseinek tisztázásával. 2 Fizika és a mindennapi világ A napsugárzás környezetünk integrált része. Tapasztaljuk, mint fény és h az érzékszerveinken, szemünkön és brünkön keresztül. Ezen érzékelhet tulajdonságai közötti összefüggés gyakran megfigyelhet a mindennapi életben: amikor sötét dolgot kiteszünk a napra, az jobban felmelegszik, mint a világos szín. A befeketített fém hmérséklete felmehet 60-80 C-ra is, amikor kitesszük a napra. A napsugárzás hatásai az anyagok felületén az anyagtulajdonságok függvénye. Ha a napenergiát használjuk fel pl. vízmelegítésre akkor megfigyeléseken alapuló javaslat, hogy olyan technikai rendszerre van szükség, amelynek felülete olyan sötét amennyire csak lehetséges. Lencsével olyan magas hmérséklet is elérhet, amely meggyújtja a papírt. Akárhogy is, az egyszer rendszerek tapasztalatai és alkalmazásuk nem vonzza maga után automatikusan, hogy miért a sötét dolog melegszik fel jobban a világosnál, nem szolgáltat alapot az alkalmazások megtalálására, melyik nem megfelel a közvetlen tapasztalat szerzéshez. * A fordítás a Soltrain projekt (4.1030/Z/02-067/2002 sz. EU Altener program) keretében, a SzIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék gondozásában készült.
A napenergia napelemekkel, szolár cellákkal történ átalakítását fotovillamos energiaátalakításnak nevezik, amelyrl eddig nem volt lehetséges sugárzásfizikai tapasztalatra szert tenni és következtetést levonni a sugárzás és az anyag között. A tudás kapcsolata az ok és következmény között természetes folyamat, ami fizikai elméletek segítségével írható le, amely egyszer elvekkel megmagyaráz megfigyelhet hatásokat, olyanokat, mint a test hmérsékletének növekedése a napon. A fizikai alapok, amelyek nagyon fontosak a napenergia felhasználásához a következkben kerülnek bemutatásra egyszeren megérthet formában. 3 Energia és felhasználása Az energiaátalakításra vonatkozó fizikai alaptörvények érvényesek a napenergia alkalmazása esetében is. Ezek az alaptörvények a következk: Az energia nem keletkezik és nem tnik el. Az energia csak átalakul egy másikká. Ez azt jelenti, hogy az energia nem önmagától jelentkezik mint olyan, hanem különböz formákban jelen van. A h, amely felmelegíti a napra kitett fémlemezt, olyan energiaforma, amelyet termikus energiának hívnak. Ezt az energiaátalakítási törvénnyel összevetve eredményül az energiaátalakítási folyamatot kapjuk, amely azt jelenti, hogy a napsugárzás önmagában is egy energiaforma. Az átalakulás jelensége a napsugárzás és az anyag között megy végbe. Ily módon a napsugárzási energia felhasználását a következ egyszer ábrával lehet szemléltetni (1.ábra). Energiaelnyel (kollektor) napsugárzás átalakítás h 1.ábra: A napenergia termikus hasznosítása (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). Más átalakítási folyamatokat is ismerünk a termikus átalakításon kívül és ily módon ajánlhatók további lehetségek a napenergia hasznosítására. Az energiaelnyel tulajdonságai határozzák meg a folyamatot és ezzel a kölcsönhatás eredményét a sugárzás és az anyag között. Erre néhány példa látható az 1.táblázatban. 2
Napsugárzást elnyel Átalakítja Energia fajta fekete fém h henergia növény biomassza kémiai energia fotovillamos cella elektromosság elektromos energia napkollektor h Henergia 1.táblázat: A napenergia hasznosítás lehetségei Mint tudjuk napjainkban minden természetes folyamat az energiaátalakítás törvényének 1 engedelmeskedik, amelyet szintén az energia technológiai rendszerrel történ átalakítása határol be (pl. ftés). A hasznosítható (h) energia összege nem haladhatja meg a beérkez energia összegét (amely tartalmazhat gáz és kémiai energiát is). Az úgynevezett perpetum mobile, amely több energiát szolgáltat, mint amennyit fogad, ily módon nem lehetséges. 4 A sugárzás és az anyag modellje A napenergia más energiává történ átalakításának magyarázatához az els modell felvázolja, melyik modern fizikai törvény használható a struktúra leírásához, illetve a test és a sugárzás tulajdonságaihoz. A következ lépésben egy egyszer teóriát alkalmazunk a kölcsönhatás tisztázásához, amely alátámasztja a sugárzás más energiává történ átalakítását. 4.1 Anyag Az anyag nagyon kicsi részekbl épül fel, ezek az atomok, amelyeket az atommag ás a körülötte bolygó pályán kering elektronok alkotnak (2.ábra ) 2. Az elektronok negatív töltések, az atommag pedig pozitív. Az anyag küls megjelenése és tulajdonságai, hogy szilárd, folyadék vagy gázhalmazállapotú, határozzák meg az atommag típusát és az egyedi atomok között fellép erket. A szilárd testben az atomok szorosan egymáshoz kapcsolódnak, ahol relatíve el tudnak mozdulni egymástól, az a folyadék állapot. A gázban az atomok egymástól függetlenül képesek mozogni (3.ábra). 1 Az energia koncepció természet szemszögébl történ koncepcióját nem ismerték el, míg a 19. század közepén fel nem fedezték az energiamegmaradás törvényét. 2 Azt az elgondolást, hogy minden anyagot parányi részek alkotnak, elször egy görög bölcs, Democrites tételezte fel (ie. 400): Csak a létez dolgok vannak atomokból és üres helyekbl. A modern fogalma az atomi struktúrának egy Új Zélandi fizikus, E. Rutherford által lett megfogalmazva e század elején (1911). Az atomok oszthatatlanságát a radioaktivitás felfedezésével el kellett vetni. 3
atommag elektronok 2.ábra: Atomi modell (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). szilárd folyadék gáz 3.ábra: Halmazállapotok (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). 4.2 Sugárzás Az anyagok és a sugárzás közötti kölcsönhatás megértéséhez a legmegfelelbb modell, amely a sugárzást részecske áramlásnak tekinti. 3. Ezekeket a fény részecskéket amelyeket fotonoknak hívnak (a görög phos szóból, amely fényt jelent) a következ tulajdonságok jellemzik A foton oszthatatlan, csak keletkezni tud vagy teljesen elnyeldni. Minden foton hordoz magában egy mennyiséget az energia mennyiséget. Ezt fénykvantumnak hívják (lat. quantum - teljes). 3 A fény, mint részecske áramlás értelmezése eredetileg Max Plancktól (1900) és Albert Einsteintl (1905) származik, akik fizikai Nóbel díjat kaptak a teóriájukért. Ez egy új fogalma a fény jelenségének, a fény hullámelméletének komoly kihívást jelentett, amely addig nagyon sikeres volt. A dán fizikus, Niels Bohr, jelentsen hozzájárult az ellentmondás eredményeihez a teória formalizált kiegészítésével. A kiegészít elv alapja, hogy mikroszkopikus fizikai rendszereket csak kölcsönösen egymást kizáró modellekkel tudja leírni (amely a klasszikus fizikából és a makroszkopikus világból származik). Ily módon a makroszkopikus szint a szerkezetek alapjaiul szolgál, amiket megismertünk a makroszkopikus világból és nem pedig miniatürizáltak. 4
Amikor az összes fotonnak ugyanaz a energiája, akkor a sugárzás intenzitását a fotonok száma határozza meg (4.ábra). alacsony intenzitás magas 4.ábra: A sugárzás intenzitása (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). A fotonokat az elemi részecskéktl az különbözteti meg, hogy nem alkotnak anyagot. Mindazonáltal "elemi részecskének" hívják, mert a fotonok számos esetben úgy viselkednek, mint az elemi részecskék. A fotonok legjobb meghatározása a hullámcsomag. Ettl függ a fotonok frekvenciája ν az energia mennyisége E = hν. (h Plank állandó). Amikor ezek nekiütköznek az anyagnak, akkor impulzusátadás megy végbe, amely szintén energia (mint ahogy egy biliárdgolyó nekimegy a másiknak). A fotonok egyedi energiája közvetlen tükrözi a jellemzit, nevezetesen a foton hullámhosszát. Amennyiben rövidebb a foton hullámhossza nagyobb az energia 4. A napsugárzás különböz foton energiákból áll. A fotonok hullámhossz vagy energiájuk szerinti eloszlását spektrumnak nevezzük. A görbe egy adott pontban lév értéke a fotonok által a foton keverékhez adott energia hányada. Az emberi szem csak a látható fény tartományát észleli (5.ábra). A fotonok által adott hullámhossz vagy energia határozza meg a színt amikor a fotonok kölcsönhatásba kerülnek a fogadó cellákkal a szemben, minden hullámhossz vagy energiaértékhez tartozik egy bizonyos szín 5 (6.ábra). 4 A hullámhossz a nanométerek egységébl adódik [nm]; 1 nm egy milliomod milliméter. Alapjaiban a hullámhossz sugárzásra használatos jellemz. Mivel csak egy részét vizsgáltuk a sugárzási modellnek, a fotonok csak az energiájuk által vannak meghatározva a következ részben. 5 A világosság szubjektív hatása nem a sugárzás intenzitásának precíziós mérése, mint ahogy a szem érzékel cellái megkülönböztetik a különböz színeket 5
Besugárzás intenzitás [Wm -2 ] ultraibolya látható infravörös Spektrum AM 0 Spektrum AM 1,5 nagy energiájú fotonok kis energiájú fotonok Hullámhossz [µm] 5.ábra: Napsugárzás spektruma (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). ibolya kék zöld sárga vörös hullámhossz [nm] 6.ábra: A szolár spektrum látható tartományának színei (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). Amikor a napfény keresztülmegy a prizmán, az szétbomlik különböz színkomponensekre. A szivárvány színei is ugyanazok; ebben az esetben az escseppek képezik a prizmát. A rövid hullámhosszú vagy magas energiájú fotonok az ibolyától a kék tartományba tartoznak, a hosszú hullámhossz pedig a vörös tartományban van. A tiszta színek behatárolt energiatartományú fotonokból állnak, így a spektrum egy a színhez tartozó vonalat tartalmaz (7.ábra). 6
intenzitás sárga 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 7.ábra: Egy színes fény spektruma (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). A szolár spektrum láthatóenergia tartománya feletti része az ultraviola tartomány (UV). Az emberi szem nem képes az UV sugárzást érzékelni. (A méhek szeme elég érzékeny az UV spektrum érzékeléséhez.) Az alacsonyabb energiájú fotonok sugárzását infravörösnek nevezik (IR), amelyet mint h tapasztalhatunk a brünkkel. 4.3 H Az energia eredeti termikus formáját másképpen egyszeren hnek nevezik, amely az atomok mikroszkopikus mozgásából adódik. A szilárd anyagban az atomok nem teljesen, de folyamatosan kis oszcillációs mozgást folytatnak átlagos helyük körül. Az atomok kinetikai energiájának mérése a hmérsékletmérés. Az anyag magasabb hmérséklete jelentsen növeli az atomok mozgását 6. Amikor az anyag felmelegszik, a bejöv energia által az atomi mozgás megn (8.ábra). 6 A h mikroszkopikus fizikájának teóriája L. Boltzmann és J.C. Maxwell által lett kifejlesztve a tizenkilencedik század második felében. 7
Lassú mozgás: hideg szilárd test Intenzív mozgás: forró szilárd test 8.ábra: A termikus energia hatása az atomok mozgására az anyagban (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). Ha még nagyobb energiát közlünk az anyaggal az megolvad, az egyes atomok mozgása megn ezzel kiszakadva a rácsszerkezetbl, az atomok szétesnek. A gáznem állapotban az atomok mozgása független egymástól. 5 Az anyag és a sugárzás kölcsönhatása A kölcsönhatás folyamatát a sugárzás és az anyag között a bemutatott modell segítségével lehet megérteni. A fotonok és az atomok közötti kölcsönhatásnak egyetlen útja lehetséges a 4.2. fejezetben megismert foton jellemzk ismeretében. Vagy a foton átadja energiáját az atomoknak teljes mértékben, avagy egyáltalán nem ad át energiát. Ha a foton energia átadás megtörtént, a foton nem létezik többé. Minden megfigyelés ezzel az egyszer folyamattal magyarázható. Ez alapul szolgál a megfigyelt jelenség csoportosítására (9.ábra), tekintet nélkül a foton és az anyag egyéb tulajdonságaira. A teljes energia átadást a fotontól az anyagig abszorpciónak nevezik. Amikor a foton nem semmisül meg, akkor a kölcsönhatás 3 típusát különböztethetjük meg: A foton keresztülmegy az anyagon (transzmisszió) A foton visszaverdik az anyag felületérl (reflekszió) Bizonyos frekvenciájú foton abszorbeálódik, más kisebb frekvenciájú, pedig kibocsátásra kerül (diffúz reflekszió / szóródás). Ha a foton tetszleges irányban halad át vagy reflektálódik, amely nem feltétlenül egyezik a beérkezési iránnyal, akkor szóródásról beszélhetünk.(pl. a fény nyaláb szóródik a durva felületen, amíg egy tükrön egy irányba vererdik vissza). 8
foton kölcsönhatás eltnik Elnyelés (abszorpció) áthaladás megmarad visszaverdés szóródás 9.ábra: Az anyag és a foton kölcsönhatásainak típusai (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). Ezzel az osztályozással lehetséges a fény hasznosíthatóságának közelítése, de ez még nem teljes, ismerni kell a tárgyak fényessége és felmelegedése közötti összefüggést (2.táblázat). szín kölcsönhatás energia átadás fehér Visszaverdés a domináns csekély szürke Visszaverdés és elnyelés közepes fekete Elnyelés a domináns nagymérv 2.táblázat: Összefüggés a tárgyak fényessége és felmelegedése között Mindazonáltal választ kapni arra a kérdésre, hogy adott szín anyag mennyire fog felmelegedni a napon, még mindig nem lehetséges. Azért, hogy ennek a jelenségnek meg tudjuk határozni az ok és okozati hatását, ehhez ismét vissza kell térni az anyag atomi szerkezetéhez és a foton energiájához. Elször meg kell vizsgálni, hogyan keletkezik a testnek színhatása. Majd tisztázni kell az összefüggést az érzékelhet megfigyelés és az ezt alátámasztó fizikai folyamatok között. Meg kell vizsgálni a sugárzás különböz színeinek hatását, a spektrális tartományban a retinára, amelynek érzékel cellái vesznek részt a folyamatban, amikor a fény szemünkbe jut. Bármennyire is az eredményekbl kijelenthet, hogy a A gyertya lángja sárga és A gyertya sárga megállapíthatás két teljesen különböz jelenség. Az els megállapításban a gyertya lángjában a foton forrás az energiatartomány, amely a sárga jelenséget idézi el amikor a fotonok találkoznak a retinán. Ezzel szemben a gyertya sárga színjelensége abból a ténybl következik, hogy a meghatározott energiájú fotonok verdnek vissza (vagy szóródnak) a gyertyáról, amig mások nem. 9
Egy test olyan szín, amilyen spektrális tartományú fény verdik vissza, amikor ráesik. A sárga gyertya fekete lehetne, ha kéken világítana. A test színhatása ily módon az atomi összetétel jellemzésével és a fényforrás spektrumával is meghatározható 7. A lehetség a fotonok kölcsönhatására csak azokra áll fenn, amelyek nem verdnek vissza a testrl. Azok megfelelnek az energiaspektrum azon részének, amelyek automatikusan abszorbeálódnak (mint ahogy a gyertya a példában nem átlátszó), azaz energiájuk átadódik az anyagnak. A szolár spektrumnak ez csak egy része, amely érzékelhet a szem által, a színek hatása nem ad megfelel alapot a spektrum látható tartománya sugárzási hatásának meghatározásához. Egy test, amelyik feketének látszik az a teljes látható fény tartományából kell, hogy elnyelje a fotonokat, de ez nem szükségszeren igaz más tartományra is. Ellenben a fehér test feketének is tnhet a nem látható sugárzás és elnyelés következtében (pl. a fehér festék visszaveri a fényt, de elnyeli az infra sugárzást). Az elzeket figyelembe véve a napenergia gyakorlati alkalmazásai elnyeinek meghatározásához szükséges fogalmak, amelyek pontosan jellemzik az elnyelés anyagi tulajdonságait és alkalmazásukat a teljes szolár spektrumon 8 (3.táblázat). elnevezés fekete fehér szürke meghatározás A teljes spektrum fotonjainak elnyelése Teljes visszatükrözés Egységes, de nem teljes elnyelése a fotonoknak 3.táblázat: Különböz anyagok abszorpciós tulajdonságai. szelektív Bizonyos spektrumtartományok fotonjainak elnyelése, a spektrum más tartományába es fotonok visszatükrözése vagy átengedése. Az összes színes test szelektív elnyel. Az elnyelés vagy visszaverdés fogalma meghatározza a kölcsönhatás folyamatát a sugárzás tekintetében, de nem nyújt semmilyen információt az okokról, sem ezek változásait nem jelzik, amely az elnyeldés alatt jelentkeznek. A kölcsönhatások egyes részei, amelyek az anyagátmenetek meghatározásából adódnak az atomi struktúra által; akárhogy is ezek az összefüggések nem magyarázzák meg kell mértékben a modell által bemutatottakat. Az energiatranszfer hatásainak összefüggéseihez a következ eseteket tudjuk megkülönböztetni a vizsgálat keretein belül: (I) Az energia átadás az anyagokban növeli az atomok kinetikus energiáját. Ez a növekedés a bels energianövekedést jelent, ami a szilárd test hmérsékletemelkedését váltja ki (lásd a 4.3.-as részt). 7 A következ elgondolásban a a sugárzási forrásnak mindig a napot feltételezzük 8 Ki kell hangsúlyozni, hogy ezen kritériumok megértéséhez az anyagok csak egzakt mérések alapján vannak osztályozva és nem pedig felépítésük szerint. 10
Az abszorpciós folyamat alatt a sugárzó energia hvé alakul. Az egyes fotonok energiája az ultraibolya és a látható spektrum tartományából magasabb, mint az infravörös tartomány fotonjaié, az infravörös tartomány szintén fontos a termikus alkalmazásokban, mint jelents hányada (kb. 35-40 %) a teljes szoláris energia tartománynak. (II) Az energia átadás változást okoz az atom bels állapotában. Ideális esetben a küls állapot, azaz az atom kinetikai energiája változatlan marad. Ez a folyamat szolgál alapul a napsugárzás szolár cellákkal történ átalakításához. Ekkor a foton energiája kiüt egy elektront az atomból, ami ezáltal szabaddá válik, ez az úgynevezett szabad töltéshordozó, amely létrehozza az villamos áramot. Választ tudunk adni a testek felmelegedésének különböz kezdeti magatartásbeli kérdésére: A test hmérséklete az elnyelés és a sávszélesség értékének arányában növekszik, attól függen, hogy a test mekkora sávszélességet képes elnyelni nap spektrumából. A napenergia hvé alakításe egy jelenség, mely megfigyelhet a gyakorlatban minden anyagi test esetében, és amelyet relatíve egyszer technikailag használni. Ezzel szemben a (II) folyamat speciális anyagszerkezetet igényel. Ilyen követelményeket kell teljesíteni az érzékel cellák szerkezetének a retinában; a növény növekedésének napfény hasznosítása szintén az abszorció ezen típusa 9. 6 Napsugárzás a Föld felszínén Azonkívül, hogy megértsük a sugárzás fizikai tulajdonságait, fontos ismerni a mennyiségét és a Föld felszínére való beesését a napenergia gyakorlati alkalmazásához. A sugárzás intenzitását meghatározza a napszak, az évszak és az idjárási feltételek. Ez a sugárzásintenzitás watt vagy kilowatt per négyzetméterben mérhet [Wm -2, kwm -2 ]. A sugárzási energia azaz az idegység alatti teljesítmény wattóra (kilowattóra, joul) per négyzetméterben van megadva (4.táblázat). Ez nevezetesen egységesen kezelend, a h sugárzás alkalmazható sugárzásintenzitás és az energia esetében is. Fizikai mennyiség név egység Teljesítménysrség Sugárzási intenzitás Wm -2, kwm -2 (besugárzás) Energiasrség Sugárzási energia (irradiáció) Whm -2, kwhm -2 4.táblázat: A sugárzás mérésének egységei A sugárzás intenzitása a a Föld atmoszféráján kívül 1325 és 1420 Wm -2 között van. Ezt az extraterritoriális sugárzást nevezik napállandónak. 9 Az abszorpció megfordítása az anyag sugárzása, ami itt nem került bemutatásra, mint csekély fontosságú folyamat a szolár energia felhasználásában. Az emisszió a termális alkalmazásokban játszik jelentsebb szerepet. 11
napállandó: E 0 = 1367 kwm - ² A visszaverdés, szóródás és az elnyeldés körülbelül 30%-kal redukálja ezt az értéket, így ebbl 1000 Wm -2 jut a földfelszínre nappal, tiszta égbolt esetén. A globális sugárzást két komponens alkotja, nevezetesen a direkt és a diffúz sugárzás. A direkt (vagy napfény) sugárzás közvetlen a napból származik, ellenben a diffúz sugárzással, amely az égbolt minden irányából jön; az égbolt ily módon látszik minden irányból egységesen világosnak. A diffúz komponenstl látjuk az égboltot kéknek napos idben. Amikor az égbolt teljesen borult akkor csak a diffúz sugárzás jut a földfelszínre 10 (5.táblázat). Még akkor is ha az égbolt tiszta, a maximális hasznosítható sugárzási intenzitás változik a nap folyamán. Kevesebb a hasznosítható sugárzás kora reggel, illetve kés délután, miután a sugárzás hosszabb utat tesz meg az atmoszférán keresztül. Délben a legersebb a sugárzás. égbolt idjárás Tiszta kék ég Párás/felhs, a Nap sárgás korong Teljes besugárzás Diffúz sugárzás aránya Borult ég, 600 1000 Wm -2 200 400 Wm -2 50 150 Wm -2 10 20 % 20 80 % 80 100 % 5.táblázat: A sugárzás intenzitás különböz idjárási viszonyok között (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). A diffúz sugárzás játszik a legfontosabb szerepet Közép-Európában a napenergia hasznosításában, 40% (májusban) és 80% (decemberben) között van a diffúz sugárzás mértéke (10.ábra). Az éves eloszlását és a teljes napenergia összegét a klíma és meteorológiai viszonyok határozzák meg, amely a helytl és évszaktól is függ. A föld forgási tengelyének a pályasíkhoz való dlése okozza a napkörüli pályán haladás során a Földön kialakuló különböz idjárást, a nap helyzetének és a nappalok hosszának változását az év folyamán. 10 A direkt és diffúz sugárzás nem egyenérték feltétlenül fizikailag. Ezt egyszeren az a tény illusztrálja, hogy csak a direkt sugárzás összpontosítható egy lencsével, amit lehetetlen megvalósítani borús idben. A dönt különbség nem a nagyobb sugárzási intenzitás, hanem az a feltétel, hogy a direkt komponensek egy irányba mennek. Alátámasztva a fizikai magyarázatot a diffúz sugárzásnak magasabb az entrópiája. 12
Freiburg, Németország 7 6 Átlagos napi globál sugárzás [kwhm -2 ] 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 hónap 10.ábra: A globálsugárzás éves eloszlása Freiburgban, Németország (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). A napos területeken, mint például az afrikai sivatagokban vagy Dél-Amerikában, kétszer annyi a hasznosítható sugárzás átlaga, mint Közép-Európában (6.táblázat). helyszín Éves energiabesugárzás [kwhm -2 ] Szahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, Dél-Németország 1200 Hamburg, Észak-Németország 1000 6.táblázat: A napsugárzás különböz helyeken. Hasonlóképpen, megkülönbözethet az energia eloszlása az év folyamán (11.ábra). Közép-Európában, a bees napenergia összege november és január között körülbelül ötször kevesebb, mint a nyári hónapokban, míg a sugárzás kis földrajzi szélességeknél egyforma /1/. A napsugárzás energiasrsége alacsonyabb a fosszilis tüzelanyagokéval összevetve. Az az energia, mely 1 m 2 es felületre Közép-Európában, tiszta, nyári napon optimális beesési szög mellett beérkezik, megfelel körülbelül 1 liter ftolajnak. Ennek ellenére a napsugárzás összege egy évben Németországban körülbelül 90 szer több, mint a németek éves primér energiafogyasztása. 13
Átlagos napi globál sugárzás [Wh/m 2 d] 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Freiburg, Németzország Khartoum/Szudán 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 11.ábra: Különböz helyeken a globál sugárzás éves eloszlása (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). 7 A szoláris energia effektív felhasználásának alapjai A szoláris energia átalakító rendszerekkel kapcsolatban az a követelmény, hogy a legtökéletesebben átalakítsák a napenergiát más energiaformává és ezáltal ezt a fogyasztók számára minimális veszteséggel tegyék elérhetvé. A sugárzás fogadó (ahol az átalakítás végbemegy), azt jelenti, hogy: a teljes szolár spektrumot tökéletesen elnyelje, a fotonok teljes energiáját abszorpcióval a fogyasztók számára használható energiaformává konvertálja. Ezen követelmények kielégítésének lehetsége nem csak a technikai rendszerek minségétl függnek. A legtöbb esetben már a veszteségek alapvet fizikai folyamatok miatt lépnek fel, amelyek behatárolják az energiaátalakítás hatékonyságát. A sugárzás villamos árammá való átalakítás példáját vizsgáljuk meg. A napelemek anyagi tulajdonságainak megfelelen csak a szolárspektrum egy részét nyelik el (ez az oka a napelemek meghatározott színének, típustól függen) Csak egy bizonyos energia alakul át az abszorpció alatt villamos energiává; tekintélyes része, mint henergia jelenik meg, amely az átalakítás teljesítmény nélküli mellékhatása (a napelemek melegednek üzem közben). Az átalakítás minségét a sugárzásból hasznosítható energia átalakítási folyamat hatásfokának értéke η határozza meg: Hasznos energia η = sugárzás az elnyel felületen 14
E a mennyiség a rendszerben bekövetkez összes veszteséget számításba veszi. Ezt gyakran az energiafolyamat rendszerének alkalmatlansága vagy a teljes rendszer teljesítménye befolyásolja dönten (pl. a tárolótartály és a kollektor rendszer csöveinek gyenge hszigetelése, az elektronikai komponensek alacsony hatásfoka a töltési tartomány bizonyos részében a fotovillamos rendszerek esetében). Az energia befogadó feltételei szintén fontos szerepet játszanak az energiahozamban. Miután a nap helyzete változik évszakonként és napszakonként, az átalakítási folyamat számára hasznosítható összsugárzás függvénye a fogadó felület tájolásának. Általában a déli irányú tájolás a szerencsés (az északi féltekén), mivel ekkor a sugárzás egyenletesen fogadható déleltt és délután is. A fogadófelület dlés szögének is megkülönböztetett hatása van az összegyjthet direkt és diffúz sugárzásra. A hasznosítható diffúz sugárzási hányada vízszinteshez képest kisebb dlt felületek esetén, mert csak az égbolt egy részét látja ; Mennél nagyobb a dlésszög annál kevesebb diffúz sugárzás hasznosítható(12.ábra). Az égbolt azon tartománya, amelyrl a sugárzás eljuthat az elnyel felületre 12.ábra: Diffúz sugárzás a döntött fogadófelületen (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). A direkt sugárzás optimális kihasználásához a legmegfelelbb, ha a felület mindig merleges a bees sugárzásra. A többi beesési szög kisebb összenergia-hasznosítást tesz lehetvé. Közép-Európában minthogy a nap alacsonyan van az égbolton, téli idszakban még délben is, a nagyobb dlésszög elnyösebb, nyáron pedig a kisebb dlésszög a jobb (13.ábra). 15
nyár tél 13.ábra: A direkt sugárzás a döntött elnyel felületen (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). Az úgynevezett napkövet a tájolás és dlésszögét folyamatosan állítja, úgy, hogy mindig a nap irányába álljon, ez általában csak olyan klímájú térségekben ajánlott, ahol a direkt sugárzás mértéke nagyon nagy, pl. a sivatagban. Jóllehet a követ rendszer növeli az összenergia-fogadást Közép-Európában is (kb. 30%-kal) /2, 3, 4/, amely érték vitatható, ez a követrendszer nagyfokú technikai komplexitást igényel. A fogadófelület állandósult felszerelését, az optimális dlésszöget a rendszer üzemeltetési feltételei határozzák meg (7.táblázat) /3, 5/: Rendszerjellemz szög Maximális évi teljes energianyereség kb. 30 Téli hónapokra optimalizált kb. 60 Tavasszal és sszel jó energiahozam kb. 45 7.táblázat: A fogadófelület dlésszögének különböz feltételei (Közép-Európában). Ezek az értékek függnek a helytl; közelebb az egyenlíthöz kisebb az optimális dlésszög. Eddig csak a sugárzásnak az elnyelésével foglakoztunk. A legtöbb esetben tárolóegység is szükséges a fogyasztók fotovillamos vagy termál energiával történ ellátásához az éjszaka és átmeneti idszakok alatt. A sugárzás idbeni eloszlása fontos szerepet játszik a rendszertároló számára. A következ lépés a tároló egység alkalmazásnak (adott felület napelemnek vagy kollektornak) megfelel méretezése. A nagyobb ingadozások a napi sugárzásban, teljes és hosszabb alacsony sugárzású idszakok esetén nagyobb tárolóegységet tesznek szükségessé. 16
Ily módon az egyenlít közelében több szempontból is elnyösebb (nem csak a hasznosítható nagyobb energiamennyiség miatt) A nap hossza nem változik nagyon egy egész év alatt. Ezzel szemben, ha hosszabb ideig felhsebb az id a vártnál (mint télen Közép-Európában), nagyobb méret tárolóegység szükséges. A napenergia megbízhatóságát nemcsak a sugárzás és a technikai rendszerek határozzák meg. A rendszer felépítése eltt az igényelt energiamennyiséget elvigyázatosan kell felmérni. Nem szabad elkezdeni a rendszertervezést ezen eredmények ismerete nélkül. Számos esetben szükséges megvizsgálni a fogyasztók energiaigényének csökkenthetségét a megfelel mérések által. A napenergia alapú energiaellátás nem jelenti a komfort csökkentését vagy önmegtartóztatást a megszokott energiaszolgáltatástól 11 ; akárhogy is a felhasználók magatartása meghatározza, mennyi átalakított napenergia szükséges az aktuális felhasználáshoz. 8 Irodalomjegyzék /1/ W. Palz (Ed.) European Radiation Atlas, /2/ A. Goetzberger, W. Stahl, Comparison of yearly efficiency and cost of energy for stationary, tracking and concentrating PV systems, Proc. of the 7th Photovoltaic Solar energia Conference, Seville, 1986 /3/ L. Rouvel, Simulation photovoltaischer Anlagen - Randbedingungen, Systemeinflüsse und Ergebnisse, (Simulation of photovoltaic systems - boundary conditions, system effects and results), Schriftenreihe der Forschungsstelle für Energiewirtschaft, Band 18, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 1987 /4/ P. Baltas, M. Tortoreli, P.E. Russell, Evaluation of power output for fixed and step tracking photovoltaic arrays, Solar energia 37, 147, 1986 /5/ R. Kaiser, W. Roth, Auslegung photovoltaischer Energieversorgungen, (Dimensioning photovoltaic power supplies), Proc. 4. Nat. Symp. Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 1989 /6/ D. Seifried, Gute Argumente Energie (Good arguments - energy), Verlag C. H. Beck, Munich, 1986 11 "Energiaszolgáltatás" azt a hasznot jelenti amelyet a fogyasztók felhasználnak, pl. világításra, szobák ftésére. Mennyi energiát szükséges elállítani a szolgáltatás függvényében az alkalmazott technológia hatásfokán. 17