Napenergia, mint megújuló energiaforrás – magyarországi lehetőségek Bella Szabolcs1,2 1
Országos Meteorológiai Szolgálat Pf. 38., H – 1525 Budapest;
[email protected] 2
Természetföldrajzi Tanszék, ELTE Pázmány P. sétány 1/c; H – 1117 Budapest Összefoglalás – A bolygónkra jutó napsugárzás a földi élet szempontjából a legfontosabb energiaforrás. Ellát bennünket energiával, amelynek egy része a földi ökoszisztémák életfolyamataiban kerül felhasználásra, irányítja a felszín energiaegyensúlyát, a vízkörforgást, légköri és óceáni cirkulációt. A napsugárzás felszínre jutó energiájának mértékét a globálsugárzásból tudjuk kiszámítani. Az ország területére jutó direkt (közvetlen) és diffúz (szórt) sugárzás együttesen – különösen a nyári félévben – kedvező lehetőséget biztosít a napsugárzás energetikai hasznosításához. Hazánk sugárzási egyenlege a kárpát-medencei elhelyezkedés révén kismértékben pozitívnak tekinthető, szemben a szélességünkhöz tartozó átlagértékkel, köszönhetően többek között a csekély felhőborítottságnak. A rendelkezésre álló hazai napenergia-potenciál nagyságrendekkel nagyobb a jelenleg hasznosítottnál. Munkánk során a térbeli (SURFER8 by Golden Software) és időbeli eloszlást vizsgáltuk, amelyhez alapvetően az 1997–2002-es időszak adatait használtuk fel. Mivel a domborzat jelentősen befolyásolja az egységnyi felületre érkező globálsugárzás értékét, számításokat végeztünk arra vonatkozóan, hogy a különböző kitettségű lejtők esetében a beérkező globálsugárzás mennyisége milyen eltérést mutat a sík (vízszintes) felülethez képest.
Tárgyszavak: napenergia; direkt sugárzás; diffúz sugárzás; globálsugárzás.
Bevezetés
érkező sugárzás a légkörön áthaladva jut az emberi élet színhelyére, a felszínre. A légkör-
Régóta közismert, hogy a földi mozgások leg-
ben a napsugárzás szóródik és elnyelődik, a
többjét a Nap sugárzó energiája táplálja. A
felszínre csak a szórt sugárzásnak egy része és
Napból a bolygóközi téren keresztül a Földre
a légkör által nem módosított közvetlen sugár-
23
zás érkezik. A légkör és a felszín a napsugár-
sek hazánkban, 1936-ban indultak meg. Erre a
zásból nyert energiát a saját hőmérsékletének
célra Robitzsch-aktinográfot használtak, amely
megfelelő hosszabb hullámokon kisugározza a
a vízszintes felületre érkező összes napsugár-
világűrbe. A felszín által sugárzás útján nyert
zást méri.
és kisugárzott energia mérlege a következő összetevőkre bontható: a felszínre érkező nap-
Az első sugárzásmérések a háború előtti évek-
sugárzás, a felszín által visszavert napsugár-
ben kezdődtek, de ezek a háború ideje alatt
zás, a felszín kisugárzása és a légkör visszasu-
abbamaradtak. 1953-ban négy, majd 1954-től
gárzása.
három Robitzsch-műszer működött az országban egészen 1957-ig, amikor a Nemzetközi Geofizikai Év keretében megindult egy komo-
Sugárzás mérésének története
lyabb telepítés. Az 1970-es évek elején a sugárzásmérő állomások számát jelentősen csök-
A Napból a Föld felszínére érkező sugárzási
kentették, és ugyanakkor a Robitzsch-akti-
energia a legfontosabb éghajlatalakító tényező,
nográfokról áttértek a korszerűbb termo-
mégis a folyamatos vagy hálózatszerű mérése
oszlopos érzékelők és elektromos regisztrálók
a többi éghajlati elem méréséhez képest csak
alkalmazására.
jóval később kezdődött meg. Az OMSZ által működtetett földfelszíni autoA legtöbb éghajlati elemről (csapadék, hőmér-
mata meteorológiai mérőhálózatban jelenleg
séklet, légnyomás…) már az ötvenes évekre
28 helyen mérjük az ún. globálsugárzást, ami a
elegendően hosszú adatsorok gyűltek össze,
féltérből érkező teljes napsugárzás meghatáro-
amiből elkészültek a területi eloszlást bemuta-
zását jelenti
tó térképek. Globálsugárzás esetében 30 éves mért adatsorból 1951–1980-as időszakról ké-
A hazánkban üzemelő valamennyi műszert –
szült el az első térkép.
a skála egységességének biztosítása érdekében – a Méréstechnikai és Távérzékelési Osz-
Magyarországon közvetlen sugárzást először
tályon lévő nemzeti etalonhoz hitelesítik.
1907-ben Ógyallán mértek az akkori idők legkorszerűbb műszerével, Angström pirhelio-
Az Országos Meteorológiai Szolgálat sugár-
méterrel. A klimatológiai értékelések és
zásmérő hálózata 2005-ben az 1. ábrán látható
hőháztartás számítások céljára sokkal alkalma-
állomásokból áll.
sabb folyamatos regisztráláson alapuló méré24
1. ábra OMSZ sugárzásmérő hálózata, 2005 A különböző paramétereket a sugárzásmé-
tén negatív, azonban sokkal kisebb mértékben,
rő hálózatban 5 másodpercenként mérik. Ezek-
mindösszesen –2.76 MJ m-2 nap-1. Ez abból
ből készülnek 1, illetve 10 perces átlagok.
adódik, hogy Major, 2002 számításai alapján a
Az 1 perces átlagolás esetében tárolásra kerül
légoszlop sugárzási egyenlege –89, a felszín
még a maximum, minimum, illetve a szórás
sugárzási egyenlege 57, tehát a sugárzási mér-
értéke.
leg –32 W m-2. Az országunk a beérkező sugárzás szempontjából sokkal kedvezőbb helyzetben van a földrajzi szélesség átlagához képest, a
Magyarország napenergia potenciálja
csekély mértékű borultságnak köszönhetően.
A Kárpát-medencében elhelyezkedő orszá-
Major, 2002 munkája alapján, a felszínen el-
gunk szinte minden irányból hegyekkel van
nyelt napsugárzás értéke: 142 W/m2. Ez át-
körülvéve. Ez a medencehatás jelentkezik a
számolva 4,478 GJ/m2. Az ország területe 9,3
sugárzási egyenlegünkben is, ha azt összeha-
millió ha, tehát 93*109 m2. Így Magyarország
sonlítjuk a zonális átlaggal (2. ábra). Abban az
területére eső energia 416 *103 PJ. Magyaror-
esetben, ha tekintjük a 47. szélességi fokhoz
szág éves energiafelhasználása körülbelül
tartozó sugárzási egyenleget, ennek értéke
1088 PJ. A két adatból láthatjuk hogy a poten-
-2
-1
negatív, körülbelül -35 MJ m nap . Magyar-
ciálisan kinyerhető napenergia 420-szor na-
országra vonatkozóan ugyanezt a vizsgálatot
gyobb, mint az ország éves energiafelhaszná-
elvégezve azt kapjuk, hogy az egyenleg szin-
lása.
25
2. ábra Az elnyelt és a kimenő sugárzás értéke zonálisan és Magyarországon (Péczely, 1998 alapján)
Térbeli vizsgálatok
szült a globálsugárzás térbeli eloszlásról térkép. A globálsugárzás évi összegeit a 3. ábrán láthatjuk (1951–1980).
Mint már említettük, az 1980-as évekre gyűlt össze klimatológiai értelemben elegendő hoszszúságú adatsor, hogy azt térképen ábrázolják.
A meteorológiai szolgálatnál hasonló globál-
Dávid és mtsi, 1990 a sugárzási egyenleg és
sugárzási térképeket készítettünk az 1997–
komponenseinek országos eloszlását az 1951–
2002-es időszakról. A 4. ábrán az évi össze-
1980-as időszak adatai alapján határozták meg.
gek eloszlása látható, emellett elkészültek az
A globálsugárzás-adatsorok kiegészítése, pót-
egyes hónapokra vonatkozó térképek, illetve a
lása és ellenőrzése fenti időszakra a napfény-
téli és a nyári félévre vonatkozó globálsu-
tartam és a globálsugárzás jól ismert szoros
gárzás-térképek. Az 1951–1980-as térképekkel
kapcsolatának felhasználásával készült. Ezt a
való összehasonlíthatóság végett a mértékegy-
kapcsolatot használták fel az olyan állomások
ség ebben az esetben is MJ/m2. A térképek
globálsugárzásának kiszámítására, amelyeken
Surfer 8 (Golden Software) programmal ké-
sugárzásmérés nem folyt ugyan, de napfény-
szültek. A térkép 14 állomás adatai alapján
tartam-értékekkel rendelkeztek. Így végső so-
készült: Agárd, Baja, Budapest, Debrecen,
ron a globálsugárzás 1951-1980 közötti har-
Győr, Kékestető, Keszthely, K-puszta, Nagy-
minc év átlagát 44 éghajlati állomásra állí-
kanizsa, Nyíregyháza, Sopron, Szeged, Szom-
tották elő. Az 1958–1972 időszakról is ké-
bathely, Szarvas, illetve Pécs (1997–2001).
26
3. ábra A globálsugárzás évi összegeinek területi eloszlása [MJ/m2] 1951–1980 (Dávid, 1990 alapján)
4. ábra A globálsugárzás évi összegeinek eloszlása [MJ/m2] 1997–2002
Az évi összegeket összehasonlítva, azt mond-
illetve a 30 éves átlagokból készült térképek
hatjuk, hogy a maximum az ország déli részén
45, illetve 44 állomás adatai alapján készültek,
jelentkezik, nyugatabbra tolódva, mint azt a 3.
míg az 1951–1980 közötti időszak esetében is
ábrán láthatjuk. Továbbá elsősorban az észak–
vannak olyan állomások, amelyeknek globál-
dél irányú övezetesség figyelhető meg. Felme-
sugárzás értékei számított értékek. Ezzel szem-
rülhet a kérdés, hogy miből adódik ez az eltérés.
ben az általunk készített térképek (1997–2002) mért adatok alapján készültek. Igaz, ez az idő-
Ezen a ponton szeretnénk kihangsúlyozni a
szak jóval rövidebb az előzőekhez képest, és
kétféle térkép készítésének módját. Az 50,
kevesebb állomás adatsorára lehetett építeni.
27
A számítógéppel készített térképek legna-
mazási terület mellett alkalmasak a térinfor-
gyobb előnye, hogy elkészítésüket nem befo-
matikában használt digitális domborzatmo-
lyásolja semmiféle szubjektív elem. Mégis
dellek. Ebben az esetben a kapott eredmény
annyi szubjektív tényező van a módszerben,
finomsága a domborzatmodell felbontásától
hogy az elkészítéshez használt interpolációt ki
függ.
kell választani. Az általunk készített térképek interpolálása Kriging módszerrel (optimális interpoláció) történt.
Időbeli feldolgozás
A Kriging interpoláció a magasság kérdését
Az adatsorok időbeli feldolgozása két állomás-
nem tudja kellőképpen kezelni. Ezzel magya-
ra készült el, Budapest–Pestszentlőrinc, és
rázható az, hogy például a 4. ábrán az évi ösz-
Szarvas állomásokra vonatkozóan a rendelke-
szegek esetében a csekély évi sugárzásértékek
zésre álló adatok alapján.
az Alföld északi részére is eléggé lenyúlnak, ami a valóságban nem ennyire jelentős.
Budapest esetében az 5. ábrán a napfénytartamot és a globálsugárzás mennyiségét láthat-
A globálsugárzás területi eloszlásának egy
juk olyan módon, hogy a napfénytartam érté-
másik lehetséges módja a meteorológiai mű-
kei 200-zal (felső görbe), a globálsugárzás
holdak által szolgáltatott információk felhasz-
értéki (alsó görbe) 500-zal vannak elosztva. A
nálása. A pixelek relatív fényességi értékéből
két görbét illetően azt várnánk, hogy együtt
nyerhetjük a sugárzásra vonatkozó informáci-
futnak, azonban az 1980-as évek elején talál-
ókat. Ezáltal a régebbi térképekhez képest
ható egy törés az adatsorban. Ha csak 1985-től
részletgazdagabb térképeket nyerhetünk. Az el-
vizsgáljuk a két adatsort, akkor a korreláció
készült térképekről, és a módszerről Rimóczi-
0,8 fölöttinek adódik. Az eltérés okának kide-
Paál, 2004 munkájában olvashatunk.
rítése folyamatban van.
Harmadik módja a globálsugárzás meghatáro-
A maximális és minimális napi összegek ese-
zásának a sugárzás modellezése. Ezáltal olyan
tében azt lehet elmondani, hogy Budapest ese-
területekre vonatkozóan is meghatározhatjuk a
tében a görbe alakja hasonló az 1955–1982
beérkező sugárzást, ahol nem folyt mérés. A
(Major, 1985) adatok révén készítetthez (6.
modell megbízhatóságát a mért adatokkal
ábra). A különbség annyi, hogy a magasabb
tudjuk ellenőrizni és ez kiemelt fontosságú.
értékek irányába tolódott el, mind a minimu-
Ilyen irányú modellezésre számos más alkal-
mok, mind a maximumok esetében. A szarvasi 28
adatok a budapesti értékekhez képest maga-
nimum és maximum) nem más, mint egy bur-
sabbak. A maximum kifejezettebben jelentke-
kológörbe, tehát az egyes években az év fo-
zik a nyár elején, a téli időszakban pedig a
lyamán a napi összegek ezeken belül helyez-
maximumok Szarvas esetében meglehetősen
kednek el; mindkettő a napi globálsugárzási
magas értéknek adódtak. Ez a két görbe (mi-
összegek felső és alsó értékét adja.
Budapest-Lőrinc 13 y = 0,0525x - 94,316 12 11 10 9 8 y = 0,0079x - 6,8911 7 1971
1975
1979
1983
1987
Globál/500
1991
1995
1999
2003
Napfénytartam/200
5. ábra Budapesti adatsor időbeli menete
MJ/m2
Maximális és minimális napi összegek évi menete Budapest-Lőrinc (1981-2004)
MJ/m2
Maximális és minimális napi összegek évi menete, Szarvas (1981-2004)
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
X.
XI.
XII.
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
X.
XI.
6. ábra Maximális és minimális napi összegek évi menete: Budapest, Szarvas
29
XII.
MJ/m 2
Maximális és minimális havi összegek évi menete Budapest-Lőrinc (1981-2004)
MJ/m2
Maximális és minimális havi összegek évi menete Szarvas (1981-2004)
900
900
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0 I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
X.
XI.
XII.
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
X.
XI.
XII.
7. ábra Maximális és minimális havi összegek évi menete: Budapest, Szarvas A maximális és minimális havi összegek évi
A lejtők feletti sugárzásmodellezésre két le-
menete esetében is a magasabb értékek irányá-
hetőség kínálkozik: az egyik, amikor a
ba való eltolódás figyelhető meg. Ebben az
globálsugárzás értékét a sík felszín feletti
esetben is Szarvason Budapesthez képest ma-
globálsugárzás értékből közvetlenül számítjuk
gasabbak a havi értékek (7. ábra).
át. A másik esetben a vízszintes felszínen számolt sugárzást felbontjuk direkt és diffúz tagokra, s ezeket számítjuk át a lejtőre vonat-
A sugárzás modellezése
kozóan. A vízszintes felszínre vonatkozó sugárzás számítása Rajna, 2003 munkája alap-
Sok esetben, amikor beérkező sugárzásra vo-
ján történt. A felhőzet figyelembevételére al-
natkozóan kell megállapításokat tenni, vizsgá-
kalmazott három változat: derült esetben 0
latokat végezni, a vizsgálni kívánt felszín nem
okta, a felhős esetben 4 okta, a borult esetben
vízszintes. Általában a sugárzási adatsorok sík
pedig 8 okta felhőzetet feltételeztünk. Ilyen
felszín felett állnak rendelkezésre, azonban a lejtős területek sugárzásháztartása is kiemelt
feltételek mellett pusztán geometriai úton
fontosságú lehet, gondoljunk csak a mezőgaz-
meghatároztuk különböző lejtőszögek (15 fo-
daságra, ezen belül pl. szőlő, gyümölcsös tele-
kos bontásban) és kitettség esetében (ezt is 15
pítésére, vagy éppen a szoláris rendszerek
fokonként) a lejtők feletti globálsugárzás érté-
(napkollektorok) felállítására, ahol is a tájolás-
két a vízszintes felszínhez viszonyítva.
nak kiemelt fontossága van. 30
relatív érték
relatív érték 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
I.
IV.
hónap
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0 45 90 135 irány 180 225 270 315 VII.
I.
X.
IV.
0 45 90 135 irány 180 225 270 315 VII.
hónap
X.
8. ábra Lejtők esetében a globálsugárzás relatív értékei (bal ábra: 90 fokos lejtő, derült eset, jobb 90 fokos lejtő felhős eset)
Erre vonatkozóan (példaként) a 8. ábrán a
[2] Major Gy. (szerk.): A Napenergia hasznosítás mete-
derült és felhős esetben 90 fokos fal esetében
orológiai megalapozása Magyarországon. Budapest, 1985. Építéstudományi Intézet.
különböző irány és hónap szerint láthatjuk a szorzószámokat.
[3] Major Gy.; Nagy Z.; Tóth Z.: Magyarország éghajlat-energetikai tanulmányok 9. sz. Budapest,
Ezek segítséget nyújthatnak a napkollektorok
2002.
telepítési helyének megfelelő kijelölésében, [4] Péczely Gy.: Éghajlattan, Budapest ,1998. Nemzeti
mind az irány, mind a dőlésszög kiválasztásá-
Tankönyvkiadó Rt.
ban.
[5] Rajna Sz.: Lejtők sugárzásviszonyainak modellezése,
Irodalom
Diplomamunka, Budapest, 2003. ELTE, Meteorológiai Tanszék.
[1] Dávid A.; Takács O.; Tiringer Cs.: A sugárzási [6] Rimóczi-Paál A.: Radiation Maps of Hungary. =
egyenleg eloszlása Magyarországon az 1951–1980-
Időjárás, 108. k. 3. sz. 2004. júl.–szept. p. 195–208.
as időszak adatai alapján, Az Országos Meteorológiai Szolgálat kisebb kiadványai, 1990. 66. sz. Budapest.
31
