Megújuló energiaforrások. Napkollektorok

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

atomenergia 6%

vízenergia 2%

megújuló energiaforrások 11% 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

atomenergia vízenergia 2% 5% megújuló energiaforrások 12% 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) Import (TJ) Export (TJ) Felhasználás (TJ)

423 458 849 719 (62,1 %) 153 712 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 Szlovákia Ukrajna Románia Ausztria Szerbia Horvátország Összesen

Export (GWh) 105 378 243 3430 6536 10692

Import (GWh) 9057 3915 252 1455

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 CO2 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 CO2eq) 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/m2. 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/m2-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/m2, 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/m2 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/m2-es napenergia mennyiséggel lehet számolni. Pl. Budapest déli részén 1200-1250 kW/m2 az évi napenergia mennyiség.

16

Déli tájolású, 45-os dılésszögő felületre érkezı globális napsugárzás havi alakulása.

Napsugárzási térkép Hivatkozás: http://www.jamila.hu/images/sug.jpg

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

A napkollektoros rendszerek A napenergia hazai hasznosításának jelenleg legelterjedtebb változata a napkollektoros, alacsony hımérséklető rendszerek alkalmazása. Ez igazodik a magyarországi napenergia ellátottsághoz, és az éghajlati körülményekhez. Alkalmazásával megvalósítható lakások, családi házak, közösségi épületek, irodaházak, szociális létesítmények használati meleg víz ellátása (HMV), illetve főtése úgy, hogy mell ette kiegészítı rendszerként üzem el napenergiától független ellátás. Erre azért van szükség, mert Magyarországon a napenergia rendelkezésre állását a következık jellemzik: - Napszakfüggés.A nap csak a nappali órákban süt, ekkor sem egyforma intenzitással. Éjszaka viszont nincs nap energia befogási lehetıség egyáltalán. - Évszakfüggés. A napsugárzás energiája más értékő a különbözı évszakokban. Nyáron a legerısebb, az átmeneti évszakban gyengébb és változóbb, télen pedig a legalacsonyabb intenzitású. Magyarországon a téli idıszakban befogható napenergia mindössze ötöde a nyári mennyiségnek. - Idıjárásfüggés. Bár a napsütés koránt sem annyira szeszélyes, mint a szél, az idıjárás alakulása jelentısen befolyásolja. Felhıs, borús idıben a napsugárzás szintje még nyáron is jóval alacsonyabb a derült idıhöz képest, s ez a hasznosíthatóságot tág határok között változtathatja. A fenti okok miatt a nap energia, mint forrás korlátozottan áll rendelkezésre, ezért az igények biztonságos kielégítése érdekében a csak napenergiával mőködı rendszerek használata kockázatos. Még nyáron is elıfordulhat, hogy az idıjárás, hővösre, borúsra fordul, miközben az igények egyszerre, csúcsszerően jelentkeznek meleg víz iránt. Ebben az esetben a napenergiával mőködı rendszerek nem kielégítık, rá kell segíteni más, független energiaforrással, ami lehet gáz, villamos, vagy más fosszilis tüzelıanyagot használó rendszer. A számítások szerint a meleg vízellátás az év 8 - 9 hónapja során csaknem teljes egészében megoldható, rásegítés csak a téli hónapokban szükséges, akkor is változó mértékben. Derült téli napokon a rásegítés mértéke alatta maradhat a 40 - 50 %-nak is. Igaz, hogy ugyanez a paraméter borús, felhıs téli napon nem éri el a 10 %-ot sem. Ezért kell a rásegítı energia biztosítása. A főtés esete kissé más. A főtés téli program, amikor a napenergia - mint már azt említettük - körülbelül 20 - 25 %-a a nyári mennyiségnek. Ez eleve kevés, amihez még jöhet a pillanatnyi idıjárás miatti csökkenés. A főtésnél nem érhetı el a meleg víz elıállításnál megvalósítható arány, az alapfunkciót és a rásegítı feladatot meg kell fordítani. Az alap funkció a főtés a napenergiától független rendszerrel, s rá lehet segíteni a napenergiából nyert hıvel. Ezzel csökkenteni lehet a főtési tüzelıanyag felhasználást, kímélni lehet a környezetet, de a főtésben a napenergia csak másodlagos szerepet tölthet be. További korlátozó tényezı az 20

is,

hogy

csak

alacsony

hımérséklető

főtési

rendszerekkel

(padlófőtés,

falfőtés,

mennyezetfőtés) célszerő az összekapcsolás.

A napkollektor A napkollektorok olyan eszközök, amiknek mőködési elve az, hogy a rájuk esı napsugarak hıenergia tartalmát összegyőjtik és átadják egy hı közvetítı közegnek, ami azután ezt a hımennyiséget eljuttatja a célhelyre (legtöbbször egy hıcserélıbe, ahol átadja a hıjét a használati, vagy főtési meleg víznek). Az eszköz neve is ebbıl az alapfunkcióból származik (to collect = győjteni). A legegyszerőbb kollektor egy sötét színő (legjobb a fekete) mőanyag csı, csıkígyó, amelyet kint hagyunk a napon, s egy idı múlva a napsütés hatására a benne lévı víz felmelegszik, sokszor annyira, hogy szinte forrázza' bırt. A sötét színő felület jobban nyeli (abszorbeálja) a hıt, mint a világos. A csı íveit felülete nem csak a merılegesen beesı, de a szórt napsugarakat is befogja, s mivel a csı átmérıje nem nagy, s a benne lévı víz is hosszú, vékony, kanyargós, görbe henger alakú (tehát nagy felülető) tömeget alkot, még ha tömege nagy is, a nap sugárzó hıje felmelegíti. Így mőködik a kollektor. A napkollektor tehát egy csırendszert tartalmazó egység, amelyben folyadék kering, amit a nap sugárzó energiája melegít fel. A felmelegített folyadékot elszállítják a hıcserélı egységbe

A napkollektorok veszteségei A kollektorok mőködése során keletkeznek különféle veszteségek, emiatt ezek az eszközök is - mint minden gép és rendszer - csak a bevezetett energiának egy részét képesek hasznosítani: A napkollektorok veszteségei a mérések és üzemeltetés ek tapasztalatai alapján: Üveg-visszaverési veszteség: Akollektorok - elsısorban a sík nagy felülető kollektoroküveglappal vannak lefedve. Ennek az üveglapnak a felszínérıl a beérkezı sugárzás 5 - 8%-a visszaverıdik. Üveg-elnyelési veszteség. A fent említett üveg fedılap a beérkezı sugarak kb. 2 %-át el is nyeli. Elnyelı lemezrıl történı visszaverıdési veszteség. A legjobb abszorber felületnek is van valamennyi reflexiós hatása. Az abszorber lemezrıl visszaverıdött sugarak alkotják ezt a veszteséget, mértékük kb. 8 %. Sugárzási veszteség. Az abszorber lemeznek a fı feladata, hogy minél több napsugarat nyeljen el, és hasznosítsa azok hıenergiáját. Azonban az elnyelı felületek is sugároznak ki magukból egy kis energiát, ez a kollektor sugárzási vesztesége, mértéke kb. 6 %. 21

Hıszigetelési veszteségek. Minden rendszer része, itt is van, mértéke kb. 3 %. Konvektív veszteség. Ez a kollektor legnagyobb vesztesége, s egyben olyan, ami konstrukciós eredető, s pontosan emiatt valamilyen mőszaki megoldással csökkentı, sıt gyakorlatilag meg is szőntethetı. A többi veszteséggel együtt kell élni, el kell fogadni azokat. A visszaverıdés, az elnyelés, az önsugárzás természetes fizikai jelenségek, megszőntetni nem lehet azokat, legfeljebb a kivitelezés minısége, színvonala csökkentheti a nagyságukat. A konvektív veszteség azt jelenti, hogy a kollektor házban az abszorber által összegyőjtött hı egy része a belsı légteret felmelegíti, s ez a melegebb légréteg ott áramlásba kezd, természetesen a hidegebb helyek felé, ahol visszahőlik, elveszítve ezzel a begyőjtött energia egy részét. Ez a veszte~ég a mérések szerint eléri a 13 %-ot is. Ez azért van, mert a kollektor házban levegı van. Ha ez onnan eltávolítható, akkor levegı - mint hı közvetítı közeg - hiányában (vákuumban) ez a belsı hıáramlás megszőnik. Ez a vákuumos kollektorok alapgondolata. A sík kollektorok esetén a nagy felület miatt a vákuum létrehozása és hosszú idın át való megtartása már gondokat okoz, ezért a vákuumos kollektoroknál a vákuumot csıben hozzák létre. Ide helyezik a hı összegyőjtésében résztvevı részegységeket. Innen a vákuumcsöves kollektor elnevezés.

22

A napkollektorok típusai Sík kollektorok A sík kollektor egy típusgyőjtı fogalom. Azt jelenti, hogy a kollektor fı része, az abszorber egy nagymérető (több négyzetméter) sík lemez, amelyhez alulról csatlakozik a hı közvetítı közeget tartalmazó csırendszer. Továbbá a kollektor valamennyi részegységét az elıbbieken felül - a fedı üveglapot, 'a hıszigetelı rétegeket, merevítéseket - sík keretbe foglalják. Az így összeépített valóban sík kollektort helyezik el az épület tetején, lapos tetı esetén megfelelı tájolású és dılésszögő állványban, nyeregtetı esetén a tetıfelület síkjához illesztve. A hı közvetítı közeg egy úgynevezett belépési ponton lép be, végigmegy a csırendszeren és a kilépési ponton hagyja el a kollektort. Itt nincs vákuumcsı.

Sík kollektor veszteségei Hivatkozás: http://www.epitesimegoldasok.hu/index.php?id=cimkek&cid=744

Fekete abszorber sík kollektorok Ezek egyszerő, mesterségesen érdesített, fekete színő elnyelı felülettel rendelkezı kollektorok. Az elnyelı felülethez alulról kapcsolódik a hı közvetítı folyadékot szállító csırendszer. Az egész egy merev fém, mőanyag, vagy konzervált fakeretbe van rögzítve, és be van borítva egy nagy szilárdságú üveglappal. A kollektornak van egy csatlakozó egysége az elıremenı meleg folyadék ághoz, és a visszatérı hideg ághoz. A kollektort az épület tetejére, teraszára, oldalára, vagy alacsony talajfelszínre (kert, udvar) helyezik. Arra ügyelni kell, hogy a kollektor a főtendı objektumtói (hıcserélı, melegvíztároló) ne kerüljön messze, mert a csıvezetékek ily módon megnıtt hı vesztesége rontani fogja a rendszer hatásfokát.

23

Szelektív abszorberes sík kollektorok Az abszorber felületében különbözik az elızı típusú kollektortól. A szelektív abszorber egy speciális hıelnyelı felület, amelynek több rétege van, s mely mesterségesen egyenetlenre kialakított felülettel, azon pedig hıelnyelı, befelé mutató porózus nyílásokkal rendelkezik. Anyaga alumínium lemez, alumínium oxid és Ni-pigment bevonattal.: Ez a felület jobb hıelnyelı tulajdonsággal rendelkezik az egyszerő érdes fekete bevonatú felületeknél. Kevesebb a róla visszaverıdı sugárzás. Hatásfoka kb. 25 - 30 %-al jobb az egyszerő fekete hıelnyelı felületekénél.

A napkollektor abszorber felülete és a sugárzás Hivatkozás: http://www.naplopo.hu/Cikkek/Napenergia-lehetosegek/Napenergia-lehetosegek.html

Sík kollektorok elhelyezése

24

Vákuumos, vákuumcsöves kollektorok A veszteségek ismertetésénél említettük, hogy a konvektív veszteség csökkenthetı, sıt gyakorlatilag meg is szüntethetı, ha a kollektor ház más konstrukciójú, mint a sík kollektorok esetén és onnan a levegı eltávolítható, vákuum hozható létre. A vákuum szerepe az, hogy közvetítı közeg (levegı) híján, a kollektor házon belüli hıáramlást, pontosabban hı visszaáramlást akadályoz meg. A vákuum létrehozása a sík keretes kollektor házban sem lehetetlen, létezik ilyen megoldás is, de a vákuummal mőködı korszerő és megbízható kollektorok speciális csövekkel, úgynevezett vákuumcsövekkel győjtik be a nap energiáját. Ezek ma a legelterjedtebb és legjobb üzemi paraméterekkel rendelkezı napkollektorok. Természetesen a vákuumcsövek elhelyezése és rögzítése, valamint a hı átadó közeg áramlásához csatlakoztatása is egy síkban összefogó kerettel történik, de mivel itt abszorber a vákuumcsövek belsejében van elhelyezve,és nem alkot egy összefüggı felületet, ezért ezt a típust elkülönítik a sík kollektorok családjától.

Az egyszerő és a kettısfalú vákuumcsı

Vákuumcsöves napkollektor felépítése Hivatkozás: http://www.solartrade.hu/wp-content/uploads/2010/01/upipe2.jpg

25

Vákuumcsöves napkollektorok elhelyezése

A napkollektorok kinyerhetı energia, a mőködés hatásfoka A napkollektorok mőködésének jellemzésére a hagyományos értelemben vett teljesítményt, mint fizikai mennyiség nem felel meg. Létezik, számítható, de a kollektoros üzem viszonyait, nem jellemzi igazán jól. Ennél jobb mutatót a begyőjthetı energia idı-és felületegységekre vetített mennyisége. Sík kollektorok esetén ez az érték 250 – 550 kWh˛/m2.év érték a rendszer kiépítésétıl, méretezési viszonyitól függıen. Ugyanez a tartalmú mutatót vákuumcsöves kollektorok esetén elérheti a 700 kWh/m2 év értéket is. Másik fontos jellemzıje a kollektoroknak

A hatásfok. Ez a hı hordozó közegnek átadott energiamennyisége és a kollektorra érkezı energiamennyiség hányadosa. Ez sem állandó tényezı befolyásolja, mint például: a hıelnyelı felület fajtája, minısége, az abszorber geometriája, hıvezetı képessége, az alkalmazás feltételei, hımérsékletszint, sugárzási viszonyok szélsebesség. Az üzemi paramétereket rögzíteni kell az egységes értelmezéshez, ezért meghatároztak egy ún. független változót. Ennek értéke egyenlı a kollektor hı közvetítı közvetítı közegének közepes hımérséklete és a környezet hımérséklete különbségének és 800W/m2 értékő sugárzási intenzitásának a hányadosával. Mértékegysége: 0 kW/m2. A hatásfokot ennek a mutatónak a függvényében határozzák meg és ábrázolják a jelleggörbével.

26

A napkollektorok hatásfok görbéje Hivatkozás: http://www.naplopo.hu/Cikkek/Napenergia-lehetosegek/8-abra.gif

A napkollektor típusok összehasonlítása A fejlesztésben elsı fázist képviselnek a sík kollektorok különféle változatai (fekete abszorberes sík kollektorok, szelektív abszorberes sík kollektorok). Ezek a változatok az abszorber felület anyaga, kialakítása tekintetében különböznek. A sík kollektoroknak mára kialakult konstrukciós formái, gyártási technológiái vannak, kiforrott, mőszakilag kidolgozott termékcsaládot képviselnek. Ennek megfelelıen egyszerő a gyártási módjuk, nem alkalmaznak különleges anyagokat, technológiákat. Elıállításuk olcsón, egyszerő-akár otthoni körülmények között- is lehetséges, megbízható, minıségileg színvonalas termékeket. Hatásfokuk 30-80% között változik. Télen alacsony, nyáron a magasabb. Érzékenyebbek a meteorológiai változásokra, az évszakok közötti különbségekre. Az ábrán több sík kollektor hatásfoka látható a kollektor és a környezet hımérsékletének különbsége és az egyezményesen elfogadott sugárzási állandó (800 W/m2) hányadosa függvényében. A piros vonal az átlagos trendet mutatja. Ezek szerint a sík kollektorok (átlagos hatásfoka) hatásfoka a választott független változó függvényében 0,8-tól kb. 0,55-ig változik. A fejlesztés következı fázisát képviselı vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka jobb, és egyben más természető, mint a sík kollektoroké. Ezek a kollektorok éppen a csöveikben lévı vákuum miatt télen, hidegebb, és borúsabb idıben is képesek hıenergiát kinyerni a napsugarakból, többet és egyenletesebben, mint a sík kollektorok. Hatásfokuk 50-80% között változik. Amikor a külsı és a kollektori hımérséklet különbsége nagyobb, akkor is eredményesebben dolgoznak. Ez a vákuumcsövei precíziós gyártási technológiát igényelnek (ezeket csak gyárilag lehet elkészíteni) és az összeállításuk, szerelésük is magasabb 27

színvonalú mőszaki és termelési környezetet, kultúrát kíván. Emiatt drágábbak, a beruházási költsége egy vákuumcsöves napkollektor rendszernek nagyobb, mint a sík kollektorosé.

A napkollektoros rendszerek fı részei A napkollektoros hıenergia rendszer (akár meleg víz elıállítása a cél, akár főtési rendszer rásegítése) az alábbi fı egységekbıl áll:

Napkollektoros rendszer blokkvázlata Hivatkozás: http://www.megujulofutes.hu/wp-content/uploads/2010/10/f%C5%B1t%C3%A9sr%C3%A1seg%C3%ADt%C3%A9s-nagyII.jpg

A kollektorok A kollektorok a napsugárzási hı energiáját, s adják át a hı közvetítı közegnek.

Tárolók Ezek célszerően kivitelezett tartályok, melyekben a nap által felmelegített meleg vizet tárolják. Ebbıl lehet vételezni használati meleg vizet, illetve főtési rendszer üzemeltetésére alkalmas meleg vizet.

28

Csırendszer A nap sugárzási energiája a kollektorokban hı közvetítı közegnek adódik át, ez melegszik fel. Ugyanez a közeg, ami lehet elvben gáznemő anyag, vagy levegı, gyakorlatban azonban legtöbbször folyadék viszi az energiát tovább a hıcserélıbe, s a rendszer legtávolabbi pontjairól áramlik vissza már ismét főtendı közeg. Mindehhez az áramlási folyamathoz kell csırendszer, nem is egy, hanem több (primer kör, szekunder kör…).

Hıcserélı Ez egy speciális hı átadó és átvevı egység, a meleg közeg energiáját adja át a hideg közegnek. Kialakítása lehet, lemezes, csöves, bordáscsöves.

Hıcserélı típusok Hivatkozás: http://www.solarkollektor.hu/content041_elemei/image008.png

Szivattyú Az áramló közegek számára biztosítja a mozgási energiát. Az egyszerőbb rendszerek képesek szivattyú nélkül is mőködni (gravitációs rendszerek), de az ilyen kiépítésnek szigorú feltételei vannak, a korszerő épületek helykihasználása, a rendszer rugalmassága miatt ma már szinte csak kényszeráramlású üzemet alakítanak ki.

29

Tágulási tartály A folyadékok, amelyek a rendszer különbözı köreiben áramlanak, változtatják a térfogatukat a hımérséklettıl és a nyomástól függıen. A megnıtt térfogatú közegnek el kell férni a csövekben és az egyéb szerelvényekben, egyébként a nyomása tovább nı és szétvetheti a csıvezetéket. Az így keletkezett térfogat növekedését fogadja be a tágulási tartály.

Biztonsági szelepek, szerelvények A teljes csıhálózatnak valamennyi szerelvényével (csap, szelepek, elágazások, könyökök, szőkítık…) együtt biztonságosan kell, hogy mőködjön az üzemi paraméterek tartományában. Ha ezek a paraméterek megváltoznak, és a változás miatt kritikus elemet a hálózatról, vagy le kell állítani a rendszer mőködését, esetleg kiengedve a vizet, gızt, gázt, stb.

Töltı és ürítı szerelvények A folyadékkal mőködı rendszerek és hálózatok üzemük jellegétıl függıen (zárt, nyitott, ciklikus…) gondoskodni kell a közegek pótlásáról, utántöltésérıl, illetve üzemzavar, a karbantartás esetén a leengedésrıl.

Mérı és ellenırzı szerelvények A napkollektoros rendszerek folyadékszállító és hıenergia közvetítı rendszerek. Szükséges a biztonság és a szakszerőség, a gazdaságosság érdekében több ponton is mérni, illetve rendszeresen több üzemi paramétert elsısorban a nyomást és a hımérsékletet.

Vezérlı elemek, áramkörök, rendszerek A modern energetikai rendszerek már korszerő elektronikával felszerelve és az által vezérelve mőködnek. Így már egy napkollektoros rendszernek is részei a különféle érzékelık, idı és más mőszaki paraméterek mérıi, adatgyőjtıi, feldolgozói, amelyek a beállított célértékek alapján vezérlik a szivattyúk indítását, szelepek nyitását, stb.

A hı átadó, illetve közvetítı közeg A napkollektorokban három fajta közeget lehet használni hı átadásra, illetve közvetítésre.

-

Víz. A legegyszerőbb, legolcsóbb, számos kedvezı és néhány kevésbé kedvezı tulajdonsággal rendelkezı ilyen célra használható folyadék. Egyetlen igazán nagy hátránya van, hogy télen megfagy, ezzel súlyosan károsítja a kollektort. Ezt ugyan ki 30

lehet védeni néhány módon (leengedni a fagyveszélyes idıben a vizet a kollektorból, vagy ennek egy fejlettebb változataként drain back tartályos rendszert alkalmazni), ennek ellenére a korszerő kollektoros rendszerekben vizet hı átadás, közvetítés céljára nem alkalmaznak. -

Levegı. Van levegıs kollektor is, ez esetben felmelegedett levegı adja át a hıjét a főtendı melegvízne0k. Ez ugyan télen nem jelent fagyveszélyt, de ez sem terjedt el, mint jó megoldás

-

Fagyálló folyadék legtöbbször propilénglikol és víz keveréke, általában 40 % -os arányban. Ez a leginkább alkalmazott hı átadó és közvetítı közeg. Használata olcsó, biztonságos, kedvezı kémiai és fizikai tulajdonságait (nem vízkövesíti el a csöveket és a szerelvényeket, jó a tömítı képessége, a viszkozitása, fagyállóképessége, és a környezetre sem jelent súlyos veszélyt) hosszú ideig megırzi.

A napkollektoros rendszerek körei A napkollektoros rendszerek lehetnek a folyadék áramok körei szerint a következık:

Egykörös rendszer Ebben az esetben, a kollektorokban közvetlenül a felmelegítendı folyadék kering. Az ilyen rendszerek elınye az egyszerőség, azonban folyamatosan cserélıdı víz hosszabb idı után Vízkövesedést, lerakódást okoz. Téli idıszakban, ha a rendszer nincs használatban le kell üríteni, de a fagyveszély még így is fennáll. Kevésbé frekventált célú használat mellett ajánlott, például üdülı, nyári szabadidı központok, nyaralok, hétvégi házak meleg víz ellátására, vagy szabadtéri medencék vizének temperálása.

Egyszerő szerkezetek,

üzemeltetése, téli idıben a használaton kívülisége erre alkalmassá teszi. İsszel víztelenítı, tavasszal újra indítható.

Kétkörös rendszer A kétkörös rendszerekben a kollektor külön zárt kört alkot, amelyben speciális minıségő fagyálló folyadék kering, ez a hı átadó közeg. Ez az egyik kör. A másik kör a felmelegítendı Folyadékkeringési, illetve áramlási köre. Az ilyen rendszerek a két kör között a hıcserélı biztosítja a kapcsolatot. A napkollektor által felmelegített hı átadó közeg a hıcserélın keresztül adja át az energiáját a felmelegítendı közegnek (használati meleg víz, főtési célú

31

meleg víz). A két körös rendszer egész évben biztonságosabbá üzemeltethetı. Elınye a nagyobb éves energiahozam, a megbízható, a kollektor vízkövesedést, lerakódásait kiküszöbölı üzemelés. Hátránya azonban a bonyolultabb hálózat, a több szerelvényt tartalmazó rendszer összetettebb üzeme, magasabb a beruházási költség. A kétkörös rendszerekben van olyan is, amelyikben a hıhatás külsı hıcserélıvel oldják meg. Ez további részegysége (egy másik hıcserélı) beépítését jelenti, növelve a beruházás költségeit a kismértékben csökkentve a mőködés hatásfokát. Mégis alkalmazzák, mert ezzel a módszerrel gyakorlatilag teljes biztonsággal elkülönítik a kollektor folyadékkörét a felmelegítendı folyadék körétıl. A kollektor folyadékkörében fagyálló folyadék kering. Alkalmaznak ugyan nem mérgezı, az emberi egészségre nem veszélyes összetételő fagyálló folyadékot, de a külsı hıcserélı biztosítja azt, hogy meghibásodása esetén a kollektor kör folyadékba nem kerül a felmelegítendı folyadék körébe semmilyen körülmények között.

Hıcserélık helye a rendszerben Hivatkozás: http://www.solarkollektor.hu/content0605_elemei/image001.png

32

Napkollektoros rendszer I.

Napkollektoros rendszer II.

Hivatkozás: http://www.energiatakarekosfutes.hu/images/kapcsolasisemak/nagy/02.jpg

33

A napkollektoros rendszerek méretezésének fı lépései A napkollektoros rendszerek tervezésekor, méretezésekor mőszaki számításokat és ezek alapján szabványos elemek, szerelvények táblázatokból, katalógusokból való kiválasztását kell elvégezni. Ezt követıen a rendszert rajzok, mőszaki leírások, anyag és szerelvény jegyzékek formájában kell dokumentálni. A mőszaki számítások korrekt elvégzéséhez fizikai, áramlástani, hıtani, és gépészeti ismeretekre van szükség. Természetesen ezeket a feladatokat ma már számos szoftver támogatja, így a méretezés számítógép segítségével könnyen elvégezhetı.

A méretezés fı lépései -

Az igények meghatározása. Cél megjelölése. Meg kell határozni meleg vízellátás esetén a szükséges vízmennyiséget és annak hımérsékletét. Ismerni kell az igények fajlagos jellemzıit, s a személyek számát, a személyenkénti vízigényt, a bejövı hideg víz hımérsékletét. Sztenderd adatok a víz fajhıje, s a számításoknál figyelembe veendı 10 százalékos veszteségtényezı.

-

A fenti képek után ismert az energiamennyiség, amit a napkollektoros rendszerbıl ki akarunk nyerni. Ez általában a napi energiaszükséglet KJ-ben, vagy kWh-ban. Ennek ismeretében meg tudjuk, határozni azt a szükséges napkollektor felületet, amely képes ezt az energiát biztosítani. Ehhez segítséget ad az alábbi oszlopdiagram. A felület számításánál figyelembe kell venni egy teljesítménycsökkentı tényezıt, aminek értékét diagramból, táblázatból lehet választani (általában 0,7 és 1 között)

-

A felület kiszámítása után ki kell választani az alkalmazandó napkollektort, és a rá jellemzı adatok ismeretében a szükséges elemszámot meghatározni. Az elemszám megállapításakor a számított felületet felfelé kell az egész elemszám miatt kerekíteni.

-

Meg kell határozni a meleg víz tároló térfogatát. Ezt a szükséges meleg víz igény alapján már megtettük, de korrigálni kell, hogyha alacsonyabb lenne a véghımérséklet, akkor is tudjon befogadni a számítottnak megfelelı hıtartalmú vízmennyiséget.

34

-

Szivattyú

kiválasztása.

A

csıvezeték

adatainak

meghatározása.

Ezek

áramlástechnikai számítások, csıvezetékek nyomásveszteségeit kell meghatározni, egyenes csı, szerelvények esetére. Ismerjük a kiválasztott kollektor folyadékáramát, tudjuk az elemek kapcsolását (párhuzamos, vagy soros), a csıvezeték térfogatát, alaktényezıit. A szivattyút úgy kell kiválasztani a jelleggörbe alapján, hogy a szükséges

folyadékszállítás

mellett

le

tudja

gyızni

a

teljes

csıhálózat

nyomásveszteségeit.

Csıvezeték (1) és szivattyú (2) elméleti jelleggörbéi Hivatkozás: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2d/Szivatty%C3%BA_jellegg%C3%B6rbe.svg/800pxSzivatty%C3%BA_jellegg%C3%B6rbe.svg.png

Különbözı mérető csövek jelleggörbéi víz és 40%-os propilénglikol esetén Hivatkozás: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2d/Szivatty%C3%BA_jellegg%C3%B6rbe.svg

35

Tágulási tartály térfogatának meghatározása. A tágulási tartály térfogatát két tényezı befolyásolja. Az egyik a hı közvetítı közeg relatív térfogat változása a hımérséklet függvényben. Üzem közben ugyanis a legmagasabb hımérsékletnek megfelelıen kitágul, s hogy a rendszert ne kollektor túlmelegedésekor a benne lévı folyadékközeg felforrhat, mert fagyálló koncentrátumként alacsony a forráspontja. Ekkor a keletkezett gız nyomása a kollektor teljes tartalmát kinyomhatja, amely hálózatba kerül ennek is el kell férni a tágulási tartályban. Ez az elgızölgést figyelembe vevı méretezés.

A 40% -os propilénglikol-víz keverék térfogat változási diagramja Hivatkozás: http://www.naplopo.hu/Cikkek/Gyakorihibak

Hıcserélı méretezése hıtani és áramlástani összefüggések alapján.

A kollektor éves hımennyisége, a hımérsékletkülönbség és a hıcserélı ára közötti összefüggés Hivatkozás: http://www.naplopo.hu/Cikkek/Gyakorihibak

36

A napkollektoros rendszerek alkalmazási területei: Használati meleg víz elıállítása. Erre a célra a napkollektoros rendszerek alkalmazhatók családi házakban, társasházakban, nyaralókban, üdülıkben, szanatóriumokban, korházakban, kollégiumokban, szállodákban. A meleg víz igényekhez igazítható a rendszer mérete és a csıvezeték hálózat nagysága, nyomvonala határoz meg. A napkollektoros rendszerhez csatlakozható elektronikus vezérlés, ami a vízigényeket és az energiaforrásokat illeszti össze mőködés közben.

Fürdımedencék vízének főtésére, temperálására. Nyaralók, hétvégi házak, panziók, de fürdık, strandok szabadtéri, vagy fedett medencéinek a víz hımérséklet szabályozása oldható meg hatékonyan napkollektoros energiaforrással.

Főtésre lakásokban, családi házakban. A napkollektoros rendszerek, különösen a vákuumcsöves napkollektoros rendszerek ma már az év nagy részében képesek alacsony hımérséklető főtési meleg vizet szolgáltatni. Ez 30- 40 C elıremeneti hımérsékletet jelent, s egyben azt is, hogy olyan főtési rendszerekhez csatlakoztatható, amelyek ebben a tartományban dolgoznak (padlófőtés, falfőtés, mennyezetfőtés).

A napkollektoros rendszerek elınyei A napkollektoros rendszerek elınyei – ahogy már említve volt - elsısorban a meleg víz elıállításában mutatkoznak meg. Ha a meleg vizet nyáron, amikor nincs szükség a főtésre, napenergiával készítjük, akkor tüzelıanyagot (elsısorban gázt) takarítunk meg, továbbá annak a költségeit, s nem szennyezzük az égéstermékekkel a környezetet. Nem elhanyagolható az sem, hogy így csökken a függıségünk a hagyományos energiahordozók ellátásától, beszerezhetıségétıl. A napenergia, mint forrás már nem kerül pénzbe, nem jelent üzemeltetési költséget, s egy rendszer kiépítése után már a megszerzése nem függ áraktól, ellátási biztonságtól, a fogyasztó számára elınyös, éppen hátrányos vagy elınyös piaci viszonyoktól. Felhasználójának függetlenséget, komfortos, korszerő energiaforrás. Ha a téli főtései rendszerünkben is részt vesz a napkollektor, akkor ez a helyzet tovább javul. A teljes évi főtési költségek kb. 30 – 35 %-a kiváltható a napkollektor segítségével, míg a meleg víz készítésének költségeibıl akár 70 – 80 %-ot is kitehet. Hosszú távon ezek az arányok – figyelembe véve a hagyományos energiahordozók árának várható növekedését – már vonzóbb képek jelenthetnek.

37

A környezetvédelmi, levegıszennyezési dolgokat, hatásokat az egyén nem érzékeli közvetlenül. Azonban a jövı energia felhasználásában már nem lehet olyan szempontokat megkerülni, mint káros anyag kibocsátás, környezet terhelés. E téren a napkollektoros rendszerek korszerőek, a jövı egyik reális alternatíváját képviselik.

A napkollektoros rendszerek hátrányai A napkollektorok jó hatásfokkal győjtik be a napsugarak energiáját, de a hazai földrajzi és meteorológiai viszonyok között mőködésük mégis korlátozott. Nyáron képesek a hıigények kielégítésére, sıt a begyőjtött energiájuk meg is haladja azokat, de télen az alacsonyabb napsugárzási energia miatt nem, illetve csak korlátozottan. Tudni kell azt is, hogy a napkollektor – és minden napenergiát felhasználó és átalakító eszköz – csak korlátozottan. Tudni kell azt is, hogy a napkollektor – és minden napenergiát felhasználó eszköz – csak a kapott energiát tudja tovább alakítani, közvetíteni a felhasználó számára. Hozzáadni nem tud, illetve ez már nem az ı eredménye lenne. Márpedig a nap energiája nem elég a koncentrált, magas hımérséklető az energetikai és technológiai folyamatok (égetés, gızfejlesztés, fızés…) mőködtetéséhez. Ezért nem alkalmasak a kollektorok magas hımérséklető főtési rendszerek (radiátoros), tőzhelyek, forralók üzemeltetéséhez. Mindez nem a kollektorok hibája, ennek elsısorban oka, hogy az átlagban néhány száz W/m2 energiafolyam ehhez kevés. Speciális eszközökkel összegyőjtve, koncentrálva a nap energiáját már más a helyzet, de az már a naperımővek, napkohók világa. A fentiek miatt napkollektoros rendszerek télen mindig igénylik, ha eltérı mértékben is, hogy kapjanak külsı segítséget, energiapótlást naptól független forrásból.

A napkollektoros rendszereknek van egy másik hátrányuk is, a hagyományos meleg víz ellátó, vagy főtési rendszerekhez képest: a jóval magasabb beruházási költségek. Igaz, hogy a Nap ingyen süt, tehát maga a felhasznált energia tényleg nem kerül pénzbe. De a kinyeréshez használt rendszerek (kollektor, hıcserélı, vezérlés, szigetelés, szerelés, szerviz…) továbbá a speciális alacsony hımérséklető rendszerek kiépítése (padlófőtés, falfőtés, mennyezetfőtés) komoly beruházási költség. A megtérülés pedig az árak és megtakarított költségek alapján 10 – 12 évre rúgnak legalább. Valamit javíthatnak ezen az energia árpolitikai intézkedések, állami és európai uniós forrásokból eredı támogatások, de az alaphelyzet az, hogy a hagyományos rendszerekhez képest versenyképesség nem alakult még ki.

38

A napelemek A napenergia hasznosításának másik fı ága a napelemek segítségével történı villamos energiatermelés. A napelem a rá esı napsugarak energiáját – ellentétben a napkollektorral – nem hı, hanem villamos energiává alakítja. Természetesen a napelem szerkezeti kialakítása és mőködési elve a kollektorétól teljesen eltérı.

A napelem mőködési elve A napelem lényege egy félvezetı anyag réteg, amelyben a napsugarak, fénysugarak – illetve a sugárzás egységcsomagjai, a fotonok – töltés szétválasztást hoznak létre. A felvezetı réteg egy elektromos tér, amelyre igaz az a törvény, hogyha benne lévı töltéseket bevitt energiával, illetve munkavégzéssel szétválasztják, akkor a térben elektromos potenciál különbség, azaz a feszültség alakul ki. Ez a feszültés azonos az egységnyi töltés szétválasztásához szükséges energiával, vagy munkavégzéssel.

A napelem mőködése A így keletkezett feszültség a felvezetı réget két eltérı polaritású felületéhez csatlakoztatott elektródán keresztül, az áramkörnek fogyasztón át történı zárásával levezethetı. A napaelemben a fenti jelenség során mindig egyenáram keletkezik, a félvezetı csak az egyik irányban engedi folyni a napsugarakból kinyert villamos energiát. Az alkalmazott félvezetı anyaga a szilícium. A természetben kellı mennyiségben fordul elı, megmunkálása is viszonylag egyszerő, kidolgozott technológiával lehetséges, és a költségeik is reális szintén vannak. A napelemek a napsugárzás energiáját kialakításuk, elıállítási technológiájuk függvényében 5 és 25% között változó hatásfok mellett tudják villamos árammá alakítani.

39

Kezdettıl fogva a megbízható, a legjobb hatásfokú napelemek anyaga szilícium egykristály. Ennek a típusú napelemnek a hatásfoka 15-17%. A napjainkban alkalmazott napelemek döntı többsége kristályos szilíciumból készül. Az egykristály növesztése, szeletelése költséges, nagy anyagveszteséggel járó technológia, A gyártás költségeinek csökkentésére és a hatásfok megırzésére a szakemberek alternatív eljárásokat és anyagrendszereket keresnek.

Monokristályos napelem modul

A polikristályos szilícium olcsóbb anyag, de egyrészt a daraboással elvész az anyag fele, másrészt a kristályok határfelületén a fény által létrehozott elektron-lyuk párok áramtermelés nélkül rekombinálódhatnak, így a hatásfok kisebb, de nem sokkal. A jellemzı érték 13-15%. A

polikristályos

szilícium

napelem

felületén

a

fényvisszaverıdés

révén

jól

megkülönböztethetı 10-15 mm-es szilícium kristályok látszanak.

A nagy olcsó, vékonyrétegő amorf szilícium alkalmazásával 5-8% hatások lehet elérni. A napenergia hasznosítására irányuló kísérletek intenzívek, egyre újabb anyagrendszereket fedeznek fel a kutatók. A nagyon olcsó, vékonyrétegő amorf szilícium alkalmazásával 12%os hatásfokot lehet elérni.

A napelemek modulok többségének névleges feszültsége 12V, de készülnek kisebb és nagyobb névleges feszültségő modulok is. A szabványos feszültségértékek: 6, 12, 24 és 48V. Egy 12V névleges feszültségő modulban általában 30-40 db egyedi kristályos szilícium napelemet kapcsolnak sorba. Az amorf szilícium napelem modulok feszültsége a fenti értékektıl eltérhet, az jellemzıen 40-50 V között alakul.

40

A napelemes energiaszolgáltató rendszereknek- csakúgy, mint a kollektoros rendszereknek kialakultak a fı alkalmazási területei. Ezek közül néhány: -

Családi házak villamos energia ellátása

-

Nyaralók, hétvégi házak villamos energia ellátása

-

közmőhálózatba be nem kapcsolt ingatlanok (tanyák, gátırházak, erdészlakok, menedékházak) villamos energia ellátása

-

Készenléti

rendszerek,

zavarelhárító

rendszerek

energia

ellátása

(kórház,

mentıállomás, tőzoltóság…) -

Közvilágítás, parkok, utak, reklámok energia ellátása

-

Irodai és kommunikációs eszközök energia ellátása

-

Különleges alkalmazások (őrkutatás, mőholdak energiaellátása)

-

Tengerparti világítótornyok energia ellátása

A skála folyamatosan változik és bıvül, a kutatás és a fejlesztés egyre több területre „viszi be” a napelemeket, egyre több alkalmazási terület nyílik meg a számukra. A technológia fejlıdése lehetıvé teszi, hogy olyan alkalmazások is kialakuljanak, amelynek korábban erre nem voltak reális kilátásaik (gépjármőipar, hajózás, repülés…).

41

A napelemes rendszerek mőködése a következı lehet Sziget üzemmód Ez azt jelenti, hogy a napelemes rendszer el van „szigetelve” az országos, vagy bármilyen már hálózatokról és csak a helyi fogyasztókat látja el részben, vagy egészben villamos energiával. A termelt áramot a lokális környezet fogyasztói (világító testek, hőtıszekrény, televízió, szivattyú…) használják fel. A napelem energiája vagy közvetlenül megy

a

fogyasztóhoz,

akkumulátorba

táplálják,

vagy

elıtte

hogy

abból

szolár azt

egyenletesebben és idıben elkülönülten is lehessen fogyasztani. Ez az utóbbi az elterjedtebb megoldás. Az ilyen rendszerek gyakran vannak kiegészítve háttér energiaforrással (motoros aggregát), hogy az akkumulátor

kapacitásának

és

a

napelemek

teljesítésének kimerülése, elfogyása esetén sem legyen energiahiány az objektumban.

Hálózati üzemmód Ez esetben a napelemes rendszer össze van kapcsolva az országos hálózattal, amelyre helyi fogyasztás szünetelés esetén, vagy többlet energia termeléskor a rendszer rátáplál. Természetesen a napelemes rendszer az energia igényektıl és a termeléstıl függıen vételezhet is energiát a hálózatból. A napelemes rendszer és a hálózat közötti energiaforgalom mért pontokon keresztül történik, lehetıvé téve a kölcsönös elszámolást.

Hivatkozás: http://www.zoldnet.hu/letolt_kepek/9_20080530101552.gif

42

Napelemes rendszer fı részei A napelem(ek) A napelem a rendszer energiaforrása. Feladata a napsugarak energiájából elektromos energiát termelni és azt a fogyasztók, a hálózat, vagy a tároló (szolár akkumulátor) rendelkezésére bocsátani.

Töltés szabályozó és védıáramkör. Ennek az egységnek a feladata a napelembıl érkezı energia „elosztása”. Ez a rendszer diszpécsere. A következı funkciókat látja el: -

A beérkezı egyenáramot, ha egyen áramú fogyasztó üzemel, akkor közvetlenül odairányítja és ellátja azokat a fogyasztókat energiával.

-

Ha váltakozó áramú fogyasztó is van a rendszerben és üzemel, akkor az egyenáram további részét egy ún. inverterhez irányítja, amely az egyenáramot váltakozó árammá alakítja, és ez megy a fogyasztóhoz.

-

Szoláris akkumulátor. A pillanatnyilag nem fogyasztott áramot a töltés szabályozó az akkumulátorba irányítja tárolásra.

Szoláris akkumulátor. Ez az energiatároló egység képes a napelem villamos energiájának a befogadására és tárolására majd onnan kivételezhetı.

DC/AC inverter (általában 12/230 V-os) Ez az egység a 12 V-os egyenáramot 230 V-os váltakozó árammá alakítja. Ez az áram fogyasztókat táplálhat, illetve betáplálható elektromos hálózatba.

Hálózat átkapcsoló automatika Hálózatra tápláló kiépítés esetén ez a villamos egység köti össze a helyi napelemes hálózatot a közösségi (országos) rendszerrel. Attól függıen, hogy a napelemes rendszer betáplál, vagy napenergia hiányában vételez áramot, kapcsolja az üzemmódokat. Általában ennek az egységnek a részét képezik mérıórák, amelyek a betáplált, illetve a vételezett energiát mérik.

43

Leválasztó védelmi áramkörök A napelemes rendszer és a hálózat kölcsönös elektromos védelmét látják el, biztosítók, lekapcsoló automatikák.

Motoros aggregát Szigetüzemben opcionálisan alkalmazható egység. Energia tartalékforrás. Amennyiben mőszaki hiba, vagy idıszakos többletterhelés miatt a rendszer alapkiépítésben nem tudja az igényeket kielégíteni, akkor lép be és a fejlesztett (generált) áramával pótolja azokat. Szükségmegoldás, a motoros aggregátnak üzemzavarok alkalmával van szerepe. A fenti egységek általános értelemben részei egy napelemes rendszernek. Hogy ezek pontosan milyen kialakításúak, és milyen összeállításban alkotnak egy mőködı rendszert, ez több dologtól függ. Általában a hálózatra visszatápláló napelemes áramkörök nem tartalmaznak szoláris akkumulátort, bár mőszakilag megoldható a beépítése, de hálózat biztonsága kevéssé indokolja. Hasonló a helyzet a motoros aggregáttal is. Szigetüzemő körülmények között van indokoltság.

Napelemek mőszaki paraméterei A ma használatos napelem egységeknek a mőszaki jellemzıi tág határok között változnak. A gyártók ma már kialakították a technológiai lehetıségeknek és a piaci ár/ költség arányoknak megfelelı termékcsaládokat, moduláris elemeket. Ezek szerint a járatos napelemek önálló egységeinek (szoláris szerelési egységek) teljesítménye 10 W-tól kb. 200 W-ig terjed. Ennek megfelelın változna egység jellemzıik is: méret, súly, ár. Néhány példa: SUNSET monokristályos napelem modul,

Tömeg: 11,9 kg

SM 10/36

Mérete: 1476x 660x 35mm

Max. telj: 10 W (csúcsteljesítmény)

Sinset polikristályos napelem modul

Névleges feszültség: 17,2 V

PX85, 12 v

Névleges áramerısség: 0,58 A

Max. telj: 50 W (Csúcsteljesítmény)

Tömeg: 1,3 kg

Névleges feszültség: 17,5 V

Méret: 434 x 234 x 20 mm

Névleges áramerısség: 4,85 A

AS 120

Tömeg: 11,9 kg

Max. telj: 120 W (csúcsteljesítmény)

Méret: 1477x 660x35 mm

Névleges feszültség: 16,9 V

Amorf vékonyréteg szilícium napelem modulok

FLX32

Névleges áramerısség: 1,94 A

Max. telj: 120W ( Csúcsteljesítmény)

Tömeg:23,8 kg

Névleges feszültség: 16,5V

Méret: 1416x 424x 6 mm

Névleges áramerısség: 7,1 A

44

A napelemes rendszerek drágák, magasa a beruházási költségük, magasabb, mint a napkollektoros rendszereké. Egy évi közel 1800 kWh/év energiahozamú, 8 db összesen 1400 W csúcsteljesítményő invertes rendszer, amely 250 – 300 kWh/hó fogyasztású hálózatot táplál kb. 50%-os hálózati kiváltás mellett, a jelenlegi bekerülési ára nettó 2 millió Ft.

Naperımővek, napkohók

Napelemes rendszer hálózati betáplálással

45

Naperımővek, napkohók A napenergia hasznosításának a magas hımérséklető változata az, amikor a napsugarakat koncentráltan győjtik össze és az így kinyert energiával speciális hı közvetítı közeget (só oldat) melegítenek fel több száz °C körüli hımérsékletre. A magas hımérséklető hı közvetítı közeg segítségével gızt fejlesztenek, s gızzel generátorok útján villamos energiát állítanak elı. Ez a technológia azon túl, hogy magas hımérséklető, ellentétben a kollektorokkal és napelemekkel nem a decentralizált, hanem a centralizált energiatermelés és szolgáltatás. Ezért az ilyen berendezéseket, eszközöket, a belılük felépített rendszereket naperımőveknek vagy napkohóknak nevezzük. Ezek a berendezések napjaink s még inkább a jövı „termékei”, kifejlesztésük, építésük ma még ritka, különlegesség számba megy. Elsısorban kutatási, fejlesztési célokat is szolgálnak, azon felül, hogy az általunk termelt energiával ellátják a közelebb- távolabbi környezetüket. A naperımővek- óriási koncentráló kollektorok- ma ismert fontosabb típusai:

A napteknı Ez egy hosszú,fekvı parabola keresztmetszető teknı amelynek a belsı felülete fényvisszaverı bevonattal van ellátva, a fókuszában pedig a hossztengelye irányában van a hı közvetítı közeget tartalmazó csı. A napsugarakat a fókuszba koncentrálja a teknı, s az odagyőjtött sugarak összesített energiája a csıben lévı oldatot felmelegíti. A felmelegített oldatot elvezetik a speciális hıcserélıbe, ami már inkább egy hı hasznosító kazán, s ott fejlesztenek, amit az áramtermelı turbinákra vezetnek. A hı hasznosító kazánban több fokozaton keresztül vonják el a hı közvetítı közeg energiatartalmát, majd visszavezetik a napteknıbe. A nagyobb teljesítmény elérése érdekében a napteknıbıl többet is elhelyeznek, s azokat összekapcsolják.

Napteknıkkel mőködı erımő

46

Napteknı mőködési elve Hivatkozás: http://k-forum.extra.hu/e107_files/public/1298116673_123_FT295_szrtkoncentrl_.jpg

A naptorony A naptorony egy magas, toronyszerő építmény, melyet egy nagy területen elhelyezkedı Sokelemes tükör rendszer vesz körül. A tükrök úgy vannak elhelyezve és tájolva, hogy a napsugarakat a torony egy meghatározott pontjára irányítsák. Ott egy pontban összegyőlve a sugarak átadják az energiájukat egy – napteknıs erımőveknél már említett – hı közvetítı közegnek, amely azt a gızfejlesztéshez szükséges helyre közvetíti, majd az avval hajtott generátorok villamos áramot termelnek. A tükrök elhelyezésénél figyelembe veszik a nap lokális pályáját, s a mőködés során azt folyamatosan követik a tükörrendszer állításával.

Naperımő tornya (Spanyolország) Hivatkozás: http://energiapedia.hu/media/image/nap1.bmp

47

Naperımő tükreinek elhelyezkedése Hivatkozása: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/PS20andPS10.jpg/300px-PS20andPS10.jpg

A naptányér A naptányér egy nagymérető – elemekbıl összeállított – parabolatükör, amelynek a gyújtópontjában van sugarakat összegyújtó hı központ. A sugarak energiája hı közvetítı közegnek adódik át, s a már említett módon alakítják át elıbb gızzé, majd villamos energiává.

Naptányéros erımő Hivatkozás: http://www.eloenergia.hu/images/parabola1.jpg

48

A napkémény A napkémény azon egyszerő elven alapszik, hogy a meleg levegı felszáll. A folyamat lényege az, hogy a napenergiáját összegyőjtı tetı alatt a levegı felmelegszik és a kémény felé áramlik, melyben felszáll, és közben lehől. A levegı az egész rendszer körül cirkulál, mivel oldalról újabb hideg levegı áramlik a felmelegedett helyére. Az elektromos energiát a kéménybe elhelyezett turbinák termelik a felszálló levegı mozgási energiáját felhasználva.

Napkémény mőködése

A napkémény Hivatkozás: http://www.meconnues.org/images/img-page/Solar_Chimney_prototype_300.jpg

49

Napelemes erımővek a napelemek, mint a napsugárzásból villamos energiát elıállító berendezések már megjelentek a nagyobb teljesítmények tartománynak alsó határainál, mint országos hálózatban betápláló energiaforrások. Így a naperımővek - bár legtöbbjük koncentráló kollektorként mőködikmár egyre szélesebb skálát alkotnak. Nagy felülető nagy terület beborító napelem egységek alkalmazásával szintén el tudnak érni ma már MW vagy tíz MW-os teljesítmény nagyságrendet is.

Ahogy már említettük azonban, a naperımővek ma még a jövı energiatermelı rendszerei. Teljesítményük a néhányszor tíz MW nagyságrendben mozog, ezért nem tudnak még versenyezni a fosszilis energiahordozók felhasználására épült nagy erımővekkel, vagy a nagyteljesítményő vízerımővekkel. Alkalmazásuk korlátja az is, hogy a napsütésben gazdag területek, ahol az energiaforrás adott (ezek sivatagok, trópusi területek, lakatlan szigetek, távoli tengerpartok), gyakorta messze vannak a sőrőbben lakott vidékektıl, illetve nagy energiaigényő ipari fogyasztóktól. Emiatt a termelt villamos energia eljuttatása a felhasználókhoz növekvı veszteségeket, emelkedı költségeket jelent A kutatás, a fejlesztés azonban nem áll meg,a nap energiáját egyre hatékonyabb módszerekkel képesek kinyerni. A napsütés szempontjából kedvezıfekvéső országok és földrajzi területek (Ausztrália, Afrika, Dél-Európa, Közel-Kelet, India, Dél-Amerika) energia gazdálkodásában egyre nagyobb szerephez jutnak.

Magyarország és a napenergia Magyarország helyzete a napenergia kihasználhatóság terén sajátos, ami azt jelenti, hogy jó adottságokkal rendelkezik, de ezek mellett olyan korlátok is vannak, amelyeket nem szabad figyelmen kívül hagyni. Fekvése, földrajzi helyzete alapján elmondhatjuk, hogy jelentıs mennyiségő napsugárzás éri az ország területét ( éves átlagban valamivel több,mint 2000 óra) s az évi kinyerhetı fajlagos napenergia mennyiség is 1300 kWH/m2 körül van. Ezek jó értékek, s a számítások szerint napsugárzásból eredıen kb. 400-szor több energia „ érkezik” az ország területére mint, amennyi a tényleges felhasználás. Látszólag ez a tény kínálhat alternatív megoldást az energiagondokra. Azonban más a helyzet, ha figyelembe vesszünk néhány gyakorlati szempontot is. A napsütés következtében nyáron a nappali órákban átlagosan kb. 4 kWh/m2 napi energiaforrásra számíthatunk, ami a kinyerés technológia veszteségeit figyelembe véve már nem több 2,5 – 2,8 kWh/m2-nél. Még ez is jó érték,

50

megfelelıen kiépített napkollektoros rendszer mind a használati meleg víz igényét, mind a főtési energiaszükségletet kitudja ez alapján elégíteni. De nyáron nincs szükség a főtésre (hőtésre inkább) , téli idıszakban pedig a napsugárzás energiatartalma jóval kisebb, s ez már főtést semmiképpen, s a meleg víz igényét is csak 25-35%-ig tudja biztosítani. Tehát a napenergia pont akkor nem áll megfelelı mennyiségben a rendelkezésre, amikor az energiaigény a legnagyobb, a nyáron befogható energiát viszont nem tudjuk télre eltárolni. A villamos áramtermelés céljából létesített nagy teljesítményő rendszerek (napkohók) terén Magyarország nem rendelkezik sem olyan intenzíven sugárzott területekkel, mint trópusi, vagy mediterrán fekvéső országok és a beruházásokkal, szükséges tıke sem áll rendelkezésre. Ilyen létesítmény a közeljövıbe valószínő, hogy Magyarországon nem épül, így az ország energiaellátásban sem lesz szerepe. Mi tehát a teendı, ha az adottságaink mégis jók? Olyan energiapolitikát kell folytatni támogatásokkal, tarifarendszerekkel, hogy legyen vonzó minél több – elsısorban családi házas jellegő- épület esetén a napkollektoros meleg vízellátás, valamint az alacsony hımérséklető főtési rendszerek kiépítése, ahol a hıszivattyúval való közös alkalmazás valóban érdemi változást eredményez az energiafelhasználásban, mind a takarékosság, a költségek csökkentése, mind a megújuló energiaforrások alkalmazása terén

Összegzés A fejlıdés elırehaladtával az emberiség energia felhasználása folyamatosan nı. Az ehhez szükséges energiát jelenleg még nagyobb részben a nem megújuló energiaforrások elégetésével fedezzük, és ezzel környezetünket is károsítjuk. A jövıt illetıen, a fosszilis erıforrásokkal ellentétben, valós és környezetbarát megoldásként tekinthetünk a különbözı megújuló energiaforrások, és köztük legfıképpen a napenergia felé. A napenergia a Földünkön fellelhetı energia túlnyomó részének forrása. Az atmoszférába bejutó napenergiának globálisan az átlagát tekintve több mint 69%-a jut el a Föld felszínéig. Elsısorban ez a felvett külsı energia tartja fenn a Föld biogeokémiai körfolyamatait és az életet is. Közvetett módon napenergia a forrása a szélenergiának, a biomasszának és a vízenergiának is, melyek szintén a megújuló energiák csoportjába tartoznak. A megújuló energiaforrások különösen jó lehetıséget biztosítanak az energiaellátás megvalósítására, ahol a biomassza, a geotermikus és a szélenergia felhasználásán túlmenıen a közvetlen napenergia-hasznosítása is gazdaságos. A megújuló energiaforrások elsıdleges területei a növényházak, a szárítás, a technológiai melegvíz-készítés és egyéb hıközlés valamint a villamos hálózathoz nem csatlakozó

51

települések energiaellátása. Ily módon a környezetvédelmi hatásokkal kapcsolatosan is fontos megemlíteni a növényházakat és a szárítókat, amelyeknél a nagy mennyiségő hagyományos energiahordozó (elsısorban olaj és földgáz) kiváltásával a környezetet szennyezı, egészségkárosító anyagok kibocsátása jelentısen csökkenthetı.

És néhány jó tanács! o Mindig vegyük figyelembe az elıírásokat, óvjuk egészségünket és a környezetet. o Ügyeljünk a szerszámok megfelelı használatára, rossz szerszámmal ne dolgozzunk. o A forrasztás során keletkezett gızöket ne szívjuk be, vigyázzunk a forró tárgyakkal. o A tetın való munka veszélyes, a biztonsági eszközöket munkánk során használjuk. o Napsütésben a rendszer és a benne lévı folyadék akár 60 Celsius fok felett is lehet, amely komoly égési sérülésekhez vezet. o A hibakeresést kezdjük a nyomás mérésével, alacsony nyomás esetén (<0,6 bar) a rendszer levegıs lehet. Ha netán napkollektor elıállítására adnánk fejünket, akkor elıször is szükségünk lesz egy tetszıleges mérető napkollektor tartó keretre, melyet könnyen el is készíthetünk.. A lécek készülhetnek kezelt fából, vagy mőanyagból is, mert azzal a késıbbiekben kevesebb lesz a gond és a súlyuk is lényegesen kisebb, mint a vasból készült tartoké. A napkollektor aljára kerül egy fenéklemez (ez lehet egy olcsóbb horganylemez is), utána jön a szigetelés, és következik egy rézlemez, és egy réz csıkígyó, majd végül pedig az elılap következik. A kollektor elılapja olyan anyagból készüljön, amin a napsugárzás akadálytalanul képes áthaladni. Ez lehet üveg (sajnos nehéz és törékeny) vagy akár UV áteresztı plexi, polikarbonát lemez is. A napkollektor házilag való készítésénél az egyik kulcsmomentum, hogy a forrasztások felülete legyen teljesen zsírmentes. A napkollektor házilag való összeépítésénél egy 1 négyzetméteres kollektor 50 liter vizet 50 Celsius fokra képes melegíteni. Mindenképpen ajánlott azért körbenézni a pontos méretezésért a könyvtárakban, és az online web helyeken. A rézcsıt megfelelı eszköz segítségével tudjuk kígyóalakra hajtani, vigyáznunk kell, hogy éles törések, horpadások ne legyenek. A meghajlított rézcsövet érdemes réz lemezre forrasztani, majd azt egy úgynevezett szolárlakkal lefesteni, ez igen jól elnyeli a napsugárzást. A rendszer megtervezésénél kérjük ki szakember véleményét és ne feledkezzünk meg a biztonsági szelepekrıl, vezérlıeszközökrıl.

Jó munkát kívánunk! 52