ENERGETIKA II. házidolgozat Szakolczai-Sándor Balázs A napenergia alkalmazásának lehetőségei az épületekben 2012.05.02
I. Bevezetés A dolgozatomban a különböző szoláris technológiákat és ezeknek az alkalmazási lehetőségeit szeretném ismertetni, körüljárni. A témán belül a Shanghai Research Institute of Building Science (Sanghaji Épülettudomány Kutatóintézet) által zöld irodaépületbe tervezett 3 fokozatú szolárisan táplált, integrált energia-rendszeren keresztül szeretném ismertetni a. az ilyen típusú szerkezetek felépítését és az egyes üzemmódokban lejátszódó folyamatok általános sémáját. Végül a napenergia-felhasználásának 3. alapvető módját mutatom be röviden, kitérve az ehhez kapcsolódó hazai lehetőségekre is. II. Alapvető berendezések a napenergia-hasznosításban Először is röviden szeretném ismertetni a zöld épületek fogalmát, valamint a szoláris berendezések alapvető építőköveit, főbb típusait és működési elvét. A zöld épületek tulajdonképpen jó példák az alkalmazott ökológiára, ahol a tervezők tisztában vannak az ökológia rendszer összetételével és felépítésével és az építészeti beavatkozásokat környezeti szempontból közelítik meg. Energetikai szempontból a fő feladat a fosszilis üzemanyagokról való áttérés a megújuló energiaforrásokra (nap, szél, geotermikus). Ezen a kutatási területen különösen nagy figyelmet kap a napenergia, mely bőségesen rendelkezésünkre áll és több hasznosítási formáját is ismerjük már. A napkollektorok és napelemek olyan készülékek, melyek segítségével a Napból érkező energiát, különböző módokon hasznosítani tudjuk. A napkollektor két legfontosabb típusa: 1. Síkkollektor: Tulajdonképpen egy elöl üvegezett, hátul hőszigetelt dobozszerkezet, melyben egy jó napsugárzás elnyelő képességű abszorber és egy ehhez kapcsolódó csővezeték található. A napsugárzás áthalad az igen jó fényáteresztő képességű üveglapon és az abszorberen elnyelődik. Ez a napsugárzás hatására a hozzáerősített általában réz csővezetékkel együtt felmelegszik. A vezeték típusa alapján a kollektor lehet csőkígyós vagy osztott-gyűjtős. A keletkezett hőenergiát a csővezetékben keringetett hőátadó folyadékkal lehet elszállítani a kollektorból. 2. Vákuumcsöves napkollektor: - Fűtőcső-rendszerű: Kettős falú üvegcsőből áll, amelyben vákuum van a külső és belső üvegfal között. A belső üvegcső szelektív abszorbens réteggel van bevonva. A vákuumcső elnyeli a hőt a fűtőcső segítségével, melyben általában víz és alkohol keveréke található. A csőben létrehozott alacsony nyomás miatt ez a folyadék már kb. 30 C-os hőmérsékleten forrásnak indul. E felett a folyadék elpárolog és felszáll a hőátadó patronba. A patron egy központi csőhöz kapcsolódik, és itt adja át a hőt a rendszernek, majd a lehűlt pára vízzé alakul és a fűtéscső aljára kerül. Ez a ciklus ismétlődik. - U-cső rendszerű: A dupla falú vákuumcső belsejébe U alakú réz cső és egy azt körülvevő hőátadó lemez alkotja hőtermelő egységet.a vákuumcső belsejében az abszorber felületen elnyelődő napsugárzás hőt termel. A keletkezett hő hatására a hőátadó lemez felforrósodik és az U formára hajlított cső teljes felületével érintkezve gyorsan adja át a megtermelt hőt a csőben áramló (általában fagyálló) folyadéknak. A munkafolyadék hőjét csővezeték segítségével egy hőcserélőn keresztül juttatjuk el a tárolóba, ahonnan igényeink szerint használhatjuk fel. Az U csöves napkollektorok teljesítményének növelésére fejlesztették ki a parabolikus tükröt a CPC tükröt, melynek nano-technológiás bevonattal rendelkező kialakítás biztosítja, hogy a napkollektor teljes felületére érkező napsugárzás hasznosuljon. Napkollektor-rendszerek
A napkollektor működése következtében felmelegedett hőátadó folyadékot a keringető szivattyú továbbítja a melegvíztároló tartályba. A tartályban lévő hőcserélőkben a hőhordozó folyadék átadja a hőt a víznek, majd a lehűlő folyadékot a szivattyú visszairányítja a kollektorba, ahol újabb hőmennyiséget tud felvenni. A napkollektor-rendszereket legtöbbször meleg víz előállítására, fűtésrásegítésre vagy szoláris hűtésre használjuk. Az új zöld épületekben ezek a szoláris technológiák már kombinálva, együttesen jelennek meg. Napelemek működése: A napelem egy olyan eszköz, amely a nap sugárzását elektromos árammá alakítja át fényelektromos jelenség segítségével. A szolár cellák két fajta anyagot tartalmaznak, ezeket p-típusú és n-típusú félvezetőknek nevezzük. Bizonyos hullámhosszú fény képes a félvezető atomjainak ionizációjára, ezáltal a beeső fotonok többlet töltéshordozókat keltenek. A pozitív töltéshordozók (lyukak) a p-rétegben, míg a negatív töltéshordozók (elektronok) az n-rétegben lesznek többségben. A két ellentétes töltésű réteg töltéshordozói csak egy külső áramkörön keresztül áramolva képesek rekombinálódni, a köztük lévő potenciál lépcső miatt. III. Többfokozatú szolár-rendszerek Többfokozatú, szolárisan táplált energia-rendszer tervezése irodába[3.] A Shanghai Research Institute of Building Science egy szoláris hő technológiákra alapozott integrált energia rendszert tervezett egy 460 m 2 -ű épületre. Irodáról lévén szó a használati meleg víz igény nem olyan jelentős, mint a lakóházak estén, ezért a tervezés elsősorban télen a padlófűtéshez, nyáron a légkondicionáláshoz szükséges energia biztosítására fókuszált. Egy újfajta terv eredménye a szoláris meleg víz által megvalósított természetes szellőztetés, mely hatékony megoldást kínál az átmeneti szezonban a felesleges szolárvíz problémájára. Ilyenkor a forró vizet bordázott, csöves hőcserélőkbe vezetik, ahol nyomást indukál, ami alkalmas a természetes szellőztetés javítására. Az energia-rendszer szerkezetének fontosabb elemei a napkollektorokon kívül: két elnyelési hűtő, a padlót melegítő csövek, csöves hőcserélők, keringető szivattyúk és a hűtő torony. Egy 2.5 m 3 víztartály feladata, hogy a napkollektorok által összegyűjtött hő és a hőcserélők segítségével forró vizet biztosítson a rendszernek. Az összes elem együtt alkot egy keringési rendszert, az összeköttetéseket csövek és szelepek biztosítják. A rendszer folyamat diagramja a 1. ábrán látható. 1. ábra [1] Ahol AD1 és AD2 elnyelési hűtő (adsorption chiller), CT hűtőtorony (cooling tower), WT meleg víz tartály (hot water tank), P1 és P2 gyűjtőszivattyúk (collecting pumps), P3 és P4 pedig a forró- illetve hűtővíz szivattyú (hot and cooling water pump)
A csöveken elhelyezett szelepek segítségével tudjuk a rendszer különböző üzemmódjai közti átváltást megvalósítani. Mint ahogy az ábrán is látszik, alapvetően 3 üzemmódot különböztethetünk meg: AC: légkondicionálás (air-conditioning) FH: padlófűtés (floor heating) NV: természetes szellőztetetés (natural ventilation) A rendszer egyes üzemmódjainak általános ismertetése: 1. Szolár hűtés adszorpciós hűtőgéppel Az adszorpciós hűtő és a napkollektorok kombinációja egy technikailag egyszerű, energiatakarékos megoldást kínál a hűtésre. Ezt nevezzük szoláris hűtésnek. Az adszorpciós hűtőgép silica-géllel működik. A sókristály halmazállapot változásának megindításához minimum 80 C-os hőmérsékletű víz szükséges, melyet napkollektor rendszer biztosít. A 2. ábra a hűtő felépítését szemlélteti. A szerkezet alapvetően egy nyomástartó edény, 4 kamrára osztva: 1. kamra (alul): Elpárologató, 2. / 3. kamra (középen): Generátor/Fogadó, 4. kamra (felül): kondenzáló. A középső két kamra pillangószelepekkel kapcsolódik a kondenzálóval illetve elpárologtatóval. Mindegyik kamrába be van építve egy varratmentesen húzott rézcsöves hőcserélő. A középső adszorpciós kamrák a hőcserélők körül szilika-gél granulátummal vannak megtöltve. 2.ábra[4.] A lejátszódó körfolyamat lépései: az elpárologtatóba jutó víz elpárolog, ezáltal a hűtőkör lehűl elpárolgó vizet a fogadó kamra adszorbeálja a bevezetett hő segítségével az elnyelt víz kipárolog (deszorbeálódik) a deszorbeált víz lecsapódik a kondenzátorban a ciklus a lecsapódott víz elpárologtatóba történő visszajutásával ér véget A fogadó és a generátor hűtése és fűtése felváltva történik. Mialatt az egyik oldali kamrát fűtjük, a másik (fogadó) kamrát a kondenzátoron átáramló hűtővíz részben lehűti, elvezetve az adszorpciós folyamat során keletkező hőt. A ciklusidő lejárta után a berendezés pneumatikus szelepek segítségével kapcsol át. Az adszorpciós hűtőgép által termelt 16-18 C-os vizet falfűtési, mennyezetfűtési, padlófűtési, illetve fancool-os rendszerekben alkalmazva lehetséges az épületek szolárhűtése. 2. Szolár fűtésrásegítés Napkollektoros fűtésrásegítésnél a nap által biztosított hőenergiát arra használjuk, hogy felmelegítsük vele a kazánba beérkező vizet. Így a kazánnak már ez előmelegített vizet kell
tovább melegítenie, ami nyilvánvalóan kisebb energia ráfordítással és kisebb gázfelhasználással jár. Radiátoros fűtési rendszerben a radiátorokból a kazánba visszaérkező lehűlt víz kb. 50 60 C, padlófűtéses rendszerben a padló csövekből visszaérkező lehűlt víz kb. 25 30 C. Ha a napkollektor a fentieknél magasabb hőmérsékletűre képes előmelegíteni a fűtővizet, akkor értelemszerűen megvalósul a fűtésrásegítés. Ekkor a napkollektor-rendszereknél bemutatott melegvíztároló tartályba vezetjük a fűtési rendszer radiátorokból vagy padlófűtésből visszatérő csövében keringő fűtési vizét. Így az mielőtt a kazánt fűtené, átmegy a tárolón és felmelegszik. 3. Természetes Szellőztetés A zöld épületek háztetője alatt egy levegő csatorna van, melyet azért terveznek és építenek be, hogy a beltéri levegő kivezetése a természetes szellőzésen keresztül megvalósulhasson. Annak érdekében, hogy segítsük a természetes szellőztetést nyomás növelése által hőcserélőket építünk be a levegő csatornába. Általában ezek bordázott, csöves hőcserélők. Főleg átmeneti szezonban a napkollektor-rendszer által előállított szolár meleg vizet ezekbe a hőcserélőkbe vezethetjük, IV. A napenergia hasznosításának lehetőségei Magyarországon Országunk adottságai napenergia-hasznosítás szempontjából európai viszonylatban kedvezőnek mondhatók. A napsütéses órák száma 1700 és 2200 között van éves szinten, a beeső napsugárzás átlagos éves mutatója 1300 kwh/m 2. [8.] A beeső napsugárzás szempontjából a legjobb adottságokkal az Alföld rendelkezik (főleg a középső és déli részek), a legkevésbé kihasználható területeink az északi és nyugati határ közeli hegyvidékeink. Hazánkban a mérsékelten szárazföldi éghajlat következtében szignifikáns különbség van a téli és nyári napsugárzási adatok között. Ebből adódóan a Nap hőenergiáját a téli szezonban csak korlátozottan tudjuk felhasználni, valamint külön figyelmet kell fordítanunk a szolár rendszereink fagyok elleni védelmére is. A Nap által rendelkezésünkre bocsátott energia hasznosításának alapvetően 3 módját szokás megkülönböztetni: aktív napenergia hasznosítás (30-60%) passzív napenergia hasznosítás (15-40%) fotovillamos átalakítás (8-25%) A zárójelekben a hasznosítási formák, ma ismert technológiákkal elérhető hatásfok tartományaik vannak feltüntetve. Aktív hasznosítás: Aktív esetben a napenergiát hő formájában, termikus úton hasznosítjuk. Napkollektor rendszerek segítségével legtöbbször meleg vizet állítunk elő vele, de ahogy azt már láthattuk hűtésre és fűtésrásegítésre is alkalmazhatjuk. Jellemzői: a hasznosítási módok közül ennek a legjobb a hatásfoka csökken a hagyományos energiahordozók felhasználása, környezetbarát egyszeri beruházási költség, fenntartási költség elhanyagolható hosszú megtérülési idő A termikus szolár rendszereket Magyarországon leggyakrabban használati meleg víz előállítására használjuk. A berendezések hatásfoka éves átlagban 30-50 % körül van, ha a napkollektorokat megfelelő tájolású és dőlésű felületekre szereljük fel.
A lakossági és intézményi éves használati melegvíz-fogyasztásunk 60-70%-a fedezhető napenergiából. Szezonális létesítményeknél (kempingek, szállodák, nyaralók) ez az érték meghaladhatja a 90 %-ot is. Magyarországon egy átlagos család melegvíz-ellátására alkalmas szolár berendezés beruházási költsége jelenlegi árakon kb. 0.8 M Ft, energiahozama nagyságrendileg 9 GJ/ év, ha 6m2 kollektor-felülettel, 45 fokos déli tájolású tetővel és 300 literes tárolóval számolva. Becslések alapján a hazai, napkollektor telepítésére alkalmas felületek nagyságrendje: lakóházak: 31.9 millió m 2 hivatalos középületek: 300 ezer m 2 kempingek, külső területek: 50 ezer m 2 Összesen a jövőben felhasználható felület nagysága Magyarországon: 32.25 millió m 2, tehát a hazai aktív szoláris termikus potenciál 48.8 PJ/év. [10.] Passzív hasznosítás: A passzív hasznosításról még nem esett szó. A napenergiát itt is hő formájában hasznosítjuk, azonban a nagy különbség az aktívhoz képest, hogy itt nincs szükségünk kiegészítő berendezésekre. Ennél a felhasználási módnál lényegében az épületek hőtároló képességét növeljük különböző építészeti eszközök segítségével. Ezek közül a legfontosabbak a tájolás, a réteges falszerkezetek helyes kialakítása valamint a határoló felületek energetikai szempontok alapján történő tervezése. Az úgynevezett passzív házakban a napenergia befogását, tárolását és különböző formákban történő leadását az épület és szerkezeti elemei együttesen végzik el. Jó adottságú területekre, tudatosan a napenergia minél jobb kihasználására épített passzív szolár épületekben a napsugárzásból származó energia részaránya elérheti az 50 %-ot. Ezen épületek éves fűtési energia igénye nem haladja meg a 15 kwh/m 2 -t. A hazai épületállományunk egészére nézve sajnos nincsenek adatok a passzív napenergia hasznosításra vonatkozóan. Ezért a passzív szolár potenciált csak becsülni lehet. Fotovillamos hasznosítás: Az egy-és polikristályos napelemek 16-18% körüli hatásfokkal képesek a Napból érkező energiát villamos energiává alakítani. Laboratóriumi körülmények között, többrétegű kialakítás esetén már képesek 40 % hatásfokot is előállítani a kutatók. Az olcsóbb amorf szilícium napelemek azonban csak 6-8 % közötti hatásfokkal működnek. A napelemes berendezések többsége hazánkban önálló villamosenergia-ellátási feladatokat képes ellátni. Néhány példa az alkalmazásukra: segélykérő telefonok az autópályán, forgalomszámlálók, meteorológiai állomások, villanypásztorok. Napelemek beszerelésénél a legfontosabb szempont a megfelelő benapozás biztosítása. Már a legkisebb árnyék is jelentős kiesést okozhat. A napelemek elterjedését hazánkban elősegítheti a viszonylag magas importfüggőségünk, és az energiaárak emelkedése is. Ha csupán napelemek segítségével szeretnénk fedezni a teljes belföldi villamosenergia-szükségletünket, akkor a jelenlegi fényelem-technológia mellet az ország területének 0,24 százalékát kéne befednünk. Magyarország területe 93073 km 2, tehát 223,37 km 2 a szóban forgó terület nagysága. Ezt persze nem úgy kell értelmezni, hogy egy ekkora összefüggő területen kéne egy hatalmas napkollektort létesíteni, hanem hogy összesen kéne a háztetőkőn, egyéb alkalmas helyeken ezt a számot elérni. A becslések szerint a hazai villamosenergia-termelésre fordítható fotovillamos potenciál: 486 mrd kwh=1749 PJ/év [9.]. Ez az ország jelenlegi éves felhasználásának kb. 12-szerese. A fotovillamos hasznosítás tehát a jövőben sokkal jelentősebb szerephez juthat.
V. Összefoglalás Úgy gondolom, annak ellenére, hogy egyelőre a fosszilis energiahordózók megújulókkal történő teljes kiszorításáról egyelőre legfeljebb csak ábrándozni lehet, érdemes hangsúlyt fektetni fejlesztésükre. A napenergia hasznosításában különösen nagy fantáziát látok, a technológiákban megfigyelhető a folyamatos fejlődés, nem tartom lehetetlennek, hogy a jövőben a megújulókon belül itt következzen be az áttörés. Magyarországon az adottságokhoz viszonyítva még koránt sem értük el a maximális kihasználási szintet, itthon is van lehetőség a könnyen hozzájutható és hatásos technológiák kifejlesztésre. Nem utolsó sorban a környezetünk védelme is egyre fontosabb, ha nem akarjuk teljesen tönkretenni ezt a csodálatos bolygót, akkor véleményem hosszútávon biztosan a megújulókban kell keresni az energiaellátás problémáját. Talán éppen a napenergiában... Források: 1. X.Q. Zhai_, R.Z. Wang, Y.J. Dai, J.Y. Wu, Q. Ma: Experience on integration of solar thermal technologies with green buildings. Renewable Energy 33 (2008) 1904 1910 2. X.Q. Zhai *, R.Z. Wang: Experimental investigation and theoretical analysis of the solar adsorption cooling system in a green building. Applied Thermal Engineering 29 (2009) 17 27 3. X.Q. Zhai, R.Z. Wang *, Y.J. Dai, J.Y. Wu, Y.X. Xu, Q. Ma.: Solar integrated energy system for a green building. Energy and Buildings 39 (2007) 985 993 4. http://www.gbunet.de/outgoing/nak-prospect.pdf 5. http://ekh.kvk.uni-obuda.hu/napkollektorok/6-napkollektorok-mukodese-esalkalmazasa.html 6. http://www.megujuloenergiak2011.eu/napelem.html 7. http://ekh.kvk.uni-obuda.hu/napelemek 8. Fülöp László Szűcs M. Zöld A. (2005): A napenergia passzív hasznosításának hazai potenciálja. Energiagazdálkodás. 46, 1, 8 13. 9. Kaboldy Eszter (2005): A napenergia aktív hasznosításának hazai potenciálja. Energiagazdálkodás. 46, 1, 19 24. 10. http://www.publikon.hu/application/essay/206_1.pdf 11. ttp://www.energiacentrum.com/news/napenergia_aktiv_es_passziv_hasznositasa.html