Ugrás a tartalomhoz

Környezettechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

1.4. A napenergia hasznosítása

1.4. A napenergia hasznosítása

1.4.1. A Nap sugárzása

A Nap több, mint 500 millió éve sugározza energiáját, és várhatóan legalább a következő 50 millió évben is a folyamat tartós lesz. A Nap teljes sugárzási energiája ± 1%-on belül állandó, annak ellenére, hogy a Föld a Nap körül excentrikus pályán kering és a Föld-Nap távolság ± 3%-kal változik. A „napállandó” (solar constant) definíciószerűen a Nap-Föld egymáshoz viszonyított átlagos helyzete esetén a légkörön kívűl a sugárzásra merőleges felületegységen időegység alatt átáramló sugárzási energia. A különböző mérések alapján ennek értéke 1353 W/m2. A napállandó relatív változása egy éves ciklus során az 1.1. táblázatban követhető. Az egyes relatív intenzitás értékek az adott hónap 22. napjára vonatkoznak.

1-1. táblázat - A napállandó relatív változása

Hónap

Relatív változás

Hónap

Relatív változás

Január

1,030

Július

0,969

Február

1,02l

Augusztus

0,979

Március

1,006

Szeptember

0,995

Április

0,988

Október

1,013

Május

0,973

November

1,027

Június

0,967

December

1,033


Napenergiával működő berendezések űrviszonyok közötti tervezésénél ezek a sugárzási értékek az irányadók. Földi viszonyok között azonban ezek az intenzitás értékek nem használhatók, mert számos egyéb tényező, mint pl. a telepítés földrajzi helyzete, atmoszférikus viszonyok, napszak befolyásolja a Földre érkező sugárzás teljesítményértékét.

A Napon végbemenő folyamatok összetettek, a kibocsátott sugárzási energia spektruma, hullámhosszfüggése szintén összetett. A legtöbb termikus számításnál a Napot úgy tekinthetjük, mint egy 6000 K-en sugárzó fekete testet. Fotovillamos számításoknál, becsléseknél azonban ez kevésbé tehető meg, mert ezeknek az eszközöknek az érzékenysége általában erősen hullámhosszfüggő.

A Nap sugárzásának energiahordozói, a fotonok közül egyes meghatározott hullámhosszúak a Földet körülvevő légrétegen áthaladva a különböző anyagú gázokon abszorbeálódnak. A legtöbb fotovillamos elem, napelem szerencséjére azonban a spektrum látható tartományában (0,38–0,74 µ hullámhossz) – ahol ezek általában igen érzékenyek – az abszorpció kicsi. Ultraviola tartományban (0,38 µ alatt) az oxigén és nitrogén, valamint a felső légrétegek ózon tartalma jelentős abszorpciót okoz. Ez az abszorpció általában a 0,3 µ-nál rövidebb hullámhosszú sugárzás földfelszínre jutását megakadályozza. Az infravörös tartományban (0,74 µ fölött) az abszorpciót a légkörben lévő többatomos molekulák, a víz (H2O) és széndioxid (CO2) okozzák.

A légkör hatását a Földet érő sugárzás spektrumára és intenzitására megkísérelték leegyszerűsített módon figyelembe venni. Ebből a célból bevezették az optikai légréteg fogalmát (air mass) és m-el jelölték, és azt mondták, ha az optikai légréteg 0 (azaz m = 0, vagy másképpen AM0), ez a földön kívüli feltétel. Az AM1 nem egy tipikus, de bizonyos mértékig ideális feltétel, mégpedig a föld felszínére vonatkozó sugárzás, merőleges beesés esetén. Az optikai légrétegre egyébként az

m= 1 cos Θ z MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGTbGaeyypa0ZaaSaaaeaacaaIXaaabaGaci4yaiaac+gacaGGZbacciGae8hMde1aaSbaaSqaaiaadQhaaeqaaaaaaaa@3E66@

összefüggés érvényes, ahol a Θz a Földön a beeső sugárzás és a függőleges által bezárt szög. Ha pl. 60°-ra esik be a függőlegestől, akkor m = 2. Úgy is tekinthetjük, hogy a beeső sugárzásnak a légréteg vastagságának kétszeresén kell keresztülhaladni 60°-os beesés esetén. Ez a légréteg befolyásának egy túlegyszerűsítése a sugárzás intenzitására és spektrumára, mert a tengerszint feletti magasságtól, hőmérséklettől, páratartalomtól, szennyezés mértékétől stb. igen jelentős mértékben változik, de a gyakorlati igényeket sokszor kielégíti. A pontosabb értelmezéskor a vízpárára jellemző w értéket szokták feltüntetni, amely a függőleges légoszlopban előforduló vízgőz mértékére jellemző.

Szükséges még említést tennünk a Nap sugárzásának jellemzésekor a foton fluxusról, amely a sugárzás kvantummechanikai közelítéséből adódik. A sugárzás intenzitását és spektrális eloszlását foton fluxus formájában is értelmezhetjük, mely a sugárzásra merőleges egységnyi felületen másodpercenként átáramló fotonok számával jellemezhető.

A gyakorlatban használhatóbb a másodpercenként egységnyi felületen átáramló azon fotonok száma φg, melyeknek energiája nagyobb egy adott Eg energia értéknél.

1.4.2.Anapenergiaföldieloszlása

Mint láttuk, számos tényező befolyásolja a Föld felszínére érkező sugárzási energia spektrális eloszlását. A Föld egy adott pontjára érkező teljes (totál) sugárzás nagysága a közvetlen (direkt) sugárzásból és a légkörön való szóródás következtében az égboltról ill. felhőzetről érkező indirekt (diffúz) sugárzásból tevődik össze. Ennek a megkülönböztetésnek azért van jelentősége, mert egy adott irányban a direkt sugárzás mértéke lényegesen jobban függ a Nap helyzetétől, mint az indirekt sugárzásé, és ez az adott körülmények között a hasznosítás módjánál figyelembe veendő. A Földre érkező teljes sugárzás értékeiről az 1.3. ábra, a magyarországi napsugárzási viszonyokra az

1-3. ábra - A Föld energiamérlege

A Föld energiamérlege


1-4. ábra - Magyarország napsugárzási viszonyai

Magyarország napsugárzási viszonyai


A napsugárzás a földrajzi helyzettől nagymértékben változik, és ezen belül a diffúz sugárzás jelentős hányadot képvisel a teljes sugárzásban. Az évszaktól természetesen nagyon erősen függ a beérkező sugárzási energia átlagértéke. A legszélsőségesebb viszonyok a sarkokon vannak, és az Egyenlítő felé közeledve a sugárzási energiának egyre kisebb a havi fluktuációja.

Az országokon belül a minimum és maximum között eltérés kb. 24%, a minimum-ra vonatkoztatva. A diffúz sugárzás Magyarországon is igen jelentős, a teljes sugárzás 40–50%-át is kiteszi. Éves viszonylatban ezen sugárzási átlagértékektől való eltérés általában 10%-nál kisebb, tehát tervezésnél ezekre az adatokra kellő biztonsággal le-het támaszkodni.

1.4.3. A napenergia-hasznosítás rövid története

Archimedes (i.e. 287–212) görög tudósnak, bölcselőnek tulajdonítja a technikatörténelem az első tudatos napenergia-hasznosítás tényét. Állítólag i.e. 212-ben, amikor Siracusát a rómaiak hajóhadakkal támadták, Archimedes egy tükörrel – más források szerint a védők pajzsaival – a Nap sugárzásának koncentrálásával a hajókat lángra lobbantotta. Pontos adatok Plutarchos és Livius krónikájában hiányoznak, csak Galens „De Temperamentis”-ében található utalás erre a sajátságos hadicselre. Plutarchos azonban arról ad hírt, hogy a Vesták Numa Pompilius idejében (i. e. 714–671) a szent tüzet a nap segítségével fémpoharakkal koncentrálva gyújtották be. Az inkák napsugárzás visszaverő felületeket használtak a „szent ételek” elkészítéséhez.

Csak 18 évvel később Athanasius Kircher (1601–1680) rekonstruálta Archimedes kísérletét, bár nem hajóhadat gyújtott fel, hanem azt vizsgálta, hogy egy farakást milyen távolról tud kigyújtani. Ezt számos tükör és lencsekísérlet követte, melyet a krónika feljegyzett. A firenzei Averani és Targioni 1694-ben gyémánton, a német matematikus, Ehrenfried Walter von Tschirnhaus (1651–1708) kerámián, Leibharzt Hom-berg 1699-ben aranyon és ezüstön, majd néhány évvel később Geoffroy vason, cinken, rézen, higanyon végzett sikeres kísérletet napenergia segítségével. Georges Leclerc Buffon (1707–1788), francia természettudós 1747-ben egy 360 síktükröt tartalmazó berendezést épített. Egy kisebb berendezéssel, mely 168 db 15×15 cm2-es síktükröt tartalmazott, Buffon a Királyi Kertben 60 m-ről meggyújtott egy farakást. Ugyanezzel a berendezéssel 39 m-ről ólmot és 18 m-ről ezüstöt olvasztott meg. Ezen kísérletek alapján arra a következtetésre jutott, hogy Archimedes az ellenséges hajókat 30–42 m távolságból gyújthatta fel. Egyébként Buffont erre a kísérletsorozatra az ösztökélte, hogy kortársa, Descartes Archimedes tettét legendának tartotta.

A francia fizikus, Claude Servais Pouillet (179l–1868) mérte először a földre érkező sugárzást. A svájci tudós, Nicholas de Saussure (1740–1799) konstruálta 1770-ben az első hőgyűjtő dobozt, a mai termikus kollektorok elődjét. A francia tudós, Laurent Lavoiser (1743–1794), a kémia tudományának atyja, egyik első munkájában a napenergia segítségével vizsgálta a levegő összetételét és az oxigént. Lencsékkel felszerelt, napirányba forgatható berendezésével sikerült 1773 °C-on a platinát megolvasztania.

Lavoisier volt, aki elsőként hívta fel a figyelmet arra, hogy a hagyományos tüzelőanyagok egyszer elfogynak a Földön, és hogy a napsugárzással működő berendezések milyen előnnyel rendelkeznek. A tiszta energiaforrás mellett ő állt ki először. Sir Henry Bessemer (1813–1898), az ismert angol acélgyártó 1868-ban egy 100 szegmensből álló, 3 m átmérőjű tükörrel napkohót készített. Réz és horgany olvasztására használták.

Augustin Mouchot (1825–1911), francia fizikatanár az 1878-as párizsi világkiállításra olyan nyomdagépet készített, amelyet „napmotor”, azaz napüzemű gőzgép hajtott. 1872–74-ben Észak-Chilében Las Salinásban kb. 5000 mfelületen Carlos Wilson napi 22 500 l teljesítményű napenergiás vízdesztilláló berendezést épített.

1902–1908 között H.E.Willsie és John Boyle Kaliforniában 4 napenergiával működő motort épített. 1913-ban Kairó közelében az egyiptomi F. Shuman és C.V Boys 35 kW-nál nagyobb teljesítményű napenergiával működő gőzmotort készített vízszivattyúzási céllal. Ebben az időben végezték az első energiatárolási kísérleteket.

J.A. Harrington Új Mexikóban napenergiával működő gőzmotort készített, mellyel 6 m magasságra egy kb. 20 m3-es tartályba pumpálta vizet, amelyből folyamatosan működtetett egy vízturbinát, mely villamos generátort hajtott, és egy kis bánya világítását biztosította. A következő 30 évben C.G. Abott motor-és hőtároló kísérleteitől eltekintve nem volt lényeges új eredmény. Az olcsó tüzelőanyagok miatt nem voltak versenyképesek a napenergiás berendezések. Kivételt képez a napenergiás melegvíz előállítás. Vízmelegítő berendezések számos fajtája készült és terjedt el a szoláris övezet fejlettebb országaiban.

A második világháborút követően egy felkészülésnek nevezhető időszak következett, számos nemzetközi szimpózium, konferencia tűzte témájául a napenergia hasznosítást. 1954-ben Chapin elkészítette az első fotovillamos elemeket, napelemeket. Közben egyre növekedett a napenergiás vízmelegítő berendezések száma, mind használati melegvíz előállítási, mind uszodavíz hasznosítási céllal.

1972 az ún. olajválság éve volt, tulajdonképpen a fordulat éve, amikor a világ figyelmét újból a napenergia felé fordította. A kutatási aktivitás megélénkült, néhány év alatt pl. százszorosára nőtt az Egyesült Államokban is a napenergia hasznosításának kutatására fordított összeg, és megindult a legkülönbözőbb napenergia hasznosító berendezések elterjedése. Sokan azt mondják, hogy egy új korszak indult: a megújuló természeti energiaforrások korszaka, mely közvetlenül vagy közvetve a napenergia korszaka.

1.4.4. Napgeometria

A napgeometriai összefüggések feltárása előtt célszerű áttekinteni a későbbiekben elő

forduló fontosabb napsugárzással kapcsolatos alapfogalmakat és azok definicióit:

Direktsugárzás: A Napból érkező sugárzás, mely a légkörön egyenesen áthalad.

Szórt sugárzás (diffúz sugárzás): A Napból érkező sugárzás, melynek iránya a légkör árnyékoló hatása miatt megváltozik.

Teljes napsugárzás (vízszintes felületen: globálsugárzás): A direkt és a szórt sugárzás összege.

Sugárzás/besugárzott felületi teljesítmény [W/m2]: egységnyi felületre beeső sugárzás energiája.

Napfénybesugárzás/besugárzottság [J/m2]: egyégnyi felületre érkező energia, időegység (általában óra vagy nap) alatt érkező sugárzás integráltja.

H – általában egy órás intervallumot takar, I – egy napos sugárzásra vonatkozik.

1.4.4.1. Napgeometriai paraméterek

A földfelszínre jutó sugárzásmennyiség elsősorban a Nap és a Föld egymáshoz viszonyított geometriai helyzetétől, a napsugarak beesési szögétől és a napsütéses órák számától függ. Ezek meghatározásához a következőkben tekintsük át a napgeometriai paramétereket és azok lehetséges számítását.

Földrajzi szélesség (φ): Adott földrajzi hely Egyenlítőtől való „szögtávolsága”. Az Egyenlítővel párhuzamos gömbi körök a szélességi körök. Északi féltekén pozitív. –90° ≤ φ ≤ 90°. Budapest az Északi szélesség 47,5°-án fekszik.

Deklináció (δ): a Nap szöghelyzete a szoláris délben (azaz ha a Nap a helyi délkörön van) az egyenlítő síkjához viszonyítva. A Föld a Nap körül ellipszis pályán kering, miközben maga a Föld is forog saját tengelye körül. A földpálya síkja és az Egyenlítő által meghatározott sík egymással szöget zár be, azaz a Föld forgásának a tengelye szöget zár be a földpálya síkjára állított merőlegessel. Értéke a napközeli és a naptávoli pontban 23,5°, a tavaszi és az őszi napéjegyenlőség idején zérus. Északon pozitív. –23,5° ≤ δ ≤ 23,5°. A deklinációs szög értelmezését az 1.5. ábra mutatja.

1-5. ábra - A deklinációs szög értelmezése

A deklinációs szög értelmezése


A deklinációs szög 24 órán belül maximum 0.5°-ot változik. Számítása:

δ = 23,45sin {360/365 (dn + 284)}

ahol:

dn – az év napjának sorszáma (1–365) a Julián naptár szerint (január 1-től december 31-ig, szökőévben február 29-e ugyanolyan sorszámot kap, mint február 28-a).

A Nap égi helyzete és a Föld koordinátái közötti trigonometriai összefüggések meghatározásához olyan Nap–Föld modellt tekintenek alapul, ahol a Föld van a középpontban (mintha a Nap keringene a Föld körül). Az 1.6. ábrán a két égitest relatív viszonya és az ezzel kapcsolatos egyéb szögek értelmezése látható. A Földön álló megfigyelőt O jelzéssel jelölik.

1-6. ábra - A Nap relatív helyzete a Földhöz képest

A Nap relatív helyzete a Földhöz képest


Óraszög (ω): a Nap szögelmozdulása Keletre vagy Nyugatra a lokális délkörtől, a Föld tengely körüli óránkénti 15°-os elfordulásának köszönhetően. Az óraszög definíciója szerint déli 12 órakor 0°, és óránként 15°-ot változik. Értéke délelőtt negatív, délután pozitív. A napkelte óraszöge (ωs), feltételezve, hogy napkeltekor a zenit szög qz = 90°, az alábbi módon számítható:

cos ωs =– sin φ sin δ / cos φ cos δ

vagy

ωs =cos1( tan φ tan δ)

A nappalhossza (Nd) meghatározható a napkelte óraszögéből. Mivel a napkeltétől a delelésig ugyanannyi idő telik el, mint a deleléstől napnyugtáig, a nappal hossza 2ωs lesz, ezt elosztva 15°-al megkapjuk a nappal hosszát órában.

Nd = (2/15) ωs

Zenitszög (θz): a függőleges és a Naphoz húzott egyenes által bezárt szög, azaz a vízszintes felületre érkező sugárzás beesési szöge. Adott időben a megfigyelőnek a Földön meghatározható a pozíciója, ezt nevezzük a megfigyelő zenitjének. Ez a pont metszéspontja a megfigyelő helyének földfelszíni normálisának és az égi mezőnek. Az ezzel a ponttal ellentétes helyen lévő zenitet nevezzük nadírnak. A megfigyelő horizontja egy nagy kör (az égi mezőben), egy olyan sík, amely átmegy a Föld középpontján és amelynek határát a zenit és a Föld normálisának metszővonala jelenti. A zenit szög (θz) az a szög, amely a lokális zenit, valamint a Nap és a megfigyelő által meghatározott egyenes egymással bezár. Ez a szög 0° és 90° között változhat.

Napmagasság szöge (αs): a Napnak szögben kifejezett magassága a megfigyelő horizontjából, azaz a vízszintes és a Naphoz húzott egyenes által bezárt szög. Értéke 0° és 90° között van. A napmagasság szöge komplementere a zenit szögnek, így a = 90° – θz.

Nap azimutszöge (γs): Vízszintes síkon a napsugár vetületének szögelmozdulása. Délről Keletre negatív, Délről Nyugatra pozitív. Az adott földrajzi helyzetek alapján (eltekintve a légkör hatásától) a gömbháromszögtani koszinusztétel segítségével a következő összefüggés írható fel aNapésahorizontálisfelszínközött(mivel a látszólagos nap

pálya valamennyi pontja – jó közelítéssel – egy gömb felületén van):

cos θz = sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ω = sin α

és

cos γ = (sin α sin φ – sin δ) / cos α cos φ, sin γ = cos δ sin ω / cos α.

Ezen összefüggések geometriai interpretációját az 1.7. ábra mutatja.

1-7. ábra - A Nap geometriai helyzetével kapcsolatos szögek

A Nap geometriai helyzetével kapcsolatos szögek


A nap járását az égbolton az ún. napdiagramokban síkban is szokták ábrázolni. Az 1.8. ábrán egy ilyen, Budapestre vonatkozó nappálya diagram mutatja az év napjainak függvényében a napmagasság és azimut értékeket. A diagramot a szolártechnikában a benapozás meghatározására alkalmazzák az árnyékviszonyok megállapítására.

1-8. ábra - Budapestre vonatkozó nappálya diagrammok

Budapestre vonatkozó nappálya diagrammok


1.4.4.2. A hőnyerő felület és a napsugár viszonya

Az előző pontokban bemutatott összefüggések felhasználásával meghatározható a légkör nélküli Földön egy tetszőleges napon a beérkező sugárzó energia nagysága. Az eddigi összefüggések vízszintes felületre vonatkoztak. A sugárzás hasznosítás mértékét az elnyelő helyzete jelentősen befolyásolja. Az elnyelőszerkezet és a napsugárzás egymáshoz viszonyított helyzetét az alábbi szögek jellemzik:

Dőlésszög (β): Adott felszín vízszintessel bezárt szöge: 0° ≤ β ≤ 180°

Felszín azimutszög (γ): Vízszintes felületen a felület normálisának vetülete és a helyi délkör közötti eltérés, azaz az a szög, amelyet a megfigyelő délkörének síkja, valamint a Nap és a zenit találkozási helyének a horizont körére levetített szakasz zár be. Értéke Dél irányában 0, Kelet irányában negatív, Nyugat irányában pozitív. –180° ≤ γ ≤ 180°

Beesési szög (θ): a felszínre érkező sugárzás és a felszín normálisa által bezárt szög.

A Napból induló egységnyi keresztmetszetű sugárzásáram csak akkor világít meg egységnyi felületet, ha az merőleges a sugárzás irányára. A legtöbb energia akkor nyerhető, ha az elnyelő-felület merőleges a beeső napsugárzás irányára (azaz, ha az el-nyelő-felület normálisa párhuzamos a napsugárral).

A napenergia-hasznosító berendezéseknek működés alapján két csoportját különböztetjük meg:

  • A napkövető berendezések automatikusan biztosítják az optimális merőlegességet. A térbeli napkövetés költséges, ezért csak nagyberendezéseknél alkalmazzák. Ebben az esetben a pontos beállítást sugárzásérzékelőkkel vagy számítógéppel vezérlik. A számítógép a számított nappályát képezi le. A sugárzásmérések vízszintes felületre vonatkoznak, ezért ezeket át kell számítani a normális irányú sugárzásra. A vízszintes felületnek nincs tájolás-érzékenysége, ezért csupán a napmagasság szögfüggvényével kell elosztani. Ez a sugárzásjövedelem érvényesül a napkövető rendszereken.

  • A rögzített helyzetű napenergia-hasznosító berendezések a használati időszak alatt a beeső sugárzástól függetlenül egy adott irányba néznek. Ezért úgy kell beállítani ezeket, hogy a kedvezőtlen geometriából származó veszteségük minimális legyen.

Az eltérés közvetlen mértéke a sugárirány és a felület normálisa közötti qszög. A felület vízszintessel bezárt szöge a hasznosítható felület dőlésszöge, jele: b. Ezen szögek láthatók az 1.9. ábrán.

1-9. ábra - A Nap és egy tetszőleges helyzetű kollektor viszonya

A Nap és egy tetszőleges helyzetű kollektor viszonya


Egy általános helyzetű hőnyerő felület normálisa és a napsugár által bezárt szög (q) már közvetlenül felhasználható a sugárzási komponensek számításához:

cos θ = (sin φ cos β – cos φ sin β cos γ) sin δ + (cos φ cos β + sin φ sin β cos γ) cos δ cos ω + cos δ sin β sin γ sin ω

vagy

cos θ = cos θz cos β + sin θz sin β (cos γs γ)

A dőlt és a vízszintes felületet ért direkt napsugárzás aránya az alábbi módon határozható meg:

Rb = cos θ / cos θz

Bármely időpillanatban a vízszintes felületre érkező napsugárzás mennyisége a Földi légkör hatását figyelmen kívül hagyva a normál beeső napsugárzás és az Rb hányadosaként adható meg:

Go = Gsc (1 + 0,033 cos (360 dn / 365)) cos θz

ez adott időpillanatban a napkeltétől napnyugtáig terjedő időintervallumban:

Go =Gsc (1 + 0,033 cos (360 dn / 365)) (sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ω)

ahol

Gsc a napállandó.

Az egy nap alatt vízszintes felületre érkező sugárzás (Ho) ennek integráltja:

H o = 243600 G sc π ( 1+0,33cos 360 d n 365 )( cosφcosδsin ω s + π ω s 180 sinφsinδ ) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGibWaaSbaaSqaaiaad+gaaeqaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaaIYaGaaGinaiabgwSixlaaiodacaaI2aGaaGimaiaaicdacqGHflY1caWGhbWaaSbaaSqaaiaadohacaWGJbaabeaaaOqaaiabec8aWbaadaqadaqaaiaaigdacqGHRaWkcaaIWaGaaiilaiaaiodacaaIZaGaci4yaiaac+gacaGGZbWaaSaaaeaacaaIZaGaaGOnaiaaicdacaWGKbWaaSbaaSqaaiaad6gaaeqaaaGcbaGaaG4maiaaiAdacaaI1aaaaaGaayjkaiaawMcaaiabgwSixpaabmaabaGaci4yaiaac+gacaGGZbGaeqOXdyMaci4yaiaac+gacaGGZbGaeqiTdqMaae4CaiaabMgacaqGUbGaeqyYdC3aaSbaaSqaaiaadohaaeqaaOGaey4kaSYaaSaaaeaacqaHapaCcqaHjpWDdaWgaaWcbaGaam4CaaqabaaakeaacaaIXaGaaGioaiaaicdaaaGaci4CaiaacMgacaGGUbGaeqOXdyMaci4CaiaacMgacaGGUbGaeqiTdqgacaGLOaGaayzkaaaaaa@79D9@

1.4.4.3. Sugárzási komponensek

Az előzőekben meghatározott sugárzásadatok a légkör nélküli Földre vonatkoznak. A napsugárzás földfelszínen nyerhető energiájának meghatározásánál a légkör hatása nem hagyható figyelmen kívül. A föld felszínét érő sugárzásnak két összetevője van (1.10. ábra), ezek a közvetlen vagy direkt sugárzás, és a felhőzetről és az égboltról érkező indirekt vagy szórt sugárzás.

1-10. ábra - Sugárzási komponensek a Föld felszínén

Sugárzási komponensek a Föld felszínén


1. direkt napsugárzás; 2. diffúz napsugárzás; 3. visszavert napsugárzás; 4. égbolt hosszúhullámú sugárzása; 5. visszavert égbolt hosszúhullámú sugárzás; 6. a felszín hosszúhullámú sugárzása

Egy adott irányban a direkt napsugárzás mértéke jobban függ a Nap helyzetétől, mint a szórt sugárzás mértéke. A diffúz sugárzás jelentős hányadot képvisel a teljes sugárzásban. A diffúz sugárzás Magyarországon a teljes sugárzás kb. 40–50%-át is kiteszi.

A szórt sugárzás két komponense az égbolt szórt sugárzása – Is – és a környezetből visszavert szórt sugárzási komponens – Ir –. A szórt sugárzás a két összetevő összege adja:

Idiff = Is + Ir

Így a teljes vagy globális sugárzás:

I = Idir + Idiff

A fentiekben tárgyalt sugárzási komponenseket az 1.11. ábra szemlélteti.

1-11. ábra - Sugárzási komponensek tájolt felületen

Sugárzási komponensek tájolt felületen


Egy tetszőleges helyzetű hőgyűjtő felületet ért teljes sugárzás meghatározható a vízszintes felületen mérhető sugárzási komponensek felhasználásával. Geometriai adatokból és a vízszintes felületen mérhető direkt sugárzás – Idirh – nagyságából határozható meg a β dőlésszögű kollektort ért direkt sugárzás – Idirb – értéke

Idirb = (Idirh / sin a ) cos θ

Hasonló módon számítható az égbolt szórt sugárzásának mértéke a tetszőlegesen tájolt kollektoron a következő empirikus egyenlettel, mely a teljes égbolton egyenletesen eloszló – izotropikus – diffúz sugárzást feltételez:

I = 0,5 Idiffh (1 + cos β)

ahol:

Idiffh– vízszintes felületen mérhető szórt sugárzás együttes összege.

Nem egyenletes – anizotropikus – sugárzás esetén ez a modell különböző faktorokkal módosul, amint erre a következő egyenlet mutat példát:

I = 0,5 Idiffh (1 + cos β) (1 + cos2 θ sin2 θz) (1 + sin3(β/2))

Ugyanilyen módon megadható a környezet által visszavert szórt sugárzást egy tetszőleges elhelyezkedésű felületen. A reflektált izotropikus sugárzás számítására szolgáló egyenlet:

I = 0,5 Ih ρ (1 – cos β)

ahol:

Ih – vízszintes felületen a mérhető globálsugárzás értéke,

ρ – a Föld reflexiós tényezője – albedója –, melynek értéke például hófedte felületen 0,8, átlagos talajfelületen 0,2.

Az anizotropikus eset számítása az izotropikus esethez hasonlóan módosul:

I = 0,5 Ih ρ (1 – cos β) (1 + sin2(θz /2)) (|cos Δ|)

ahol:

Δ – a kollektor és a Nap azimut szögének az eltérése.

A teljes vagy globál sugárzás értékét egy tetszőleges dőlésszögű hőgyűjtő felületen a sugárzási tényezők összege adja

Iβ = Idirβ + I + I

A Föld energiamérlege:

Q = (Idir + Idif) – (EG) – Iref

ahol:

E – a Föld hosszúhullámú visszasugárzása,

G – a Föld hosszúhullámú kisugárzása,

Iref – a Föld rövidhullámú, reflexiós visszasugárzása, más néven albedója. Az albedó értéke hófedte területen viszonylag nagy értékű – 0,84, míg erdős területen viszonylag kicsi – kb. 0,1.

1.4.5. A napenergia közvetlen hasznosítása

A Napból a Földre érkező sugárzás közvetlenül hő és villamosenergia célra, vagy közvetve, mint biomassza, víz, szél, ill. geotermikus energia hasznosítható.

1.4.5.1. Hőhasznosítás

Ha a nap sugárzása valamilyen anyag felületét éri, akkor a sugárzási energia egy része azon abszorbeálódik. Az abszorpció összetett folyamat, és az abszorber anyagoktól függően változó, hogy melyik hatás érvényesül (szóródás, foton abszorpció, elektron felgyorsulás, többszörös ütközés), de az eredmény vége, hogy a sugárzó energia hővé alakul. Az abszorpciós tényező (melyet jelöljünk α-val), vagyis hogy a beérkező sugárzási energiából mennyi nyelődik el, alakul hővé (a többi reflektálódik) anyagminőségtől és felületi kialakítástól jelentősen függ. Az elnyelt sugárzási energia a sugárzást elnyelő anyagban az anyag más részére hővezetéssel kerül el, és egy része a környezetbe lesugárzik, ill. konvekció útján „melegíti” a környezetet. A lesugárzás mértéke az emisszió, a környezet és a sugárzó anyag hőmérsékletkülönbségétől függ, és annál nagyobb, minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség. Ha időegység alatt a felületegységre beérkező Ebe sugárzási energiából hővé alakult Ebe aenergia megegyezik az Eki felületegységről eltávozó hőenergiával, akkor egyensúly áll be, és az elnyelő anyagban egy Te állandósult hőmérséklet alakul ki. Mivel

Ebe α = Eki = Es + Ekonvf (Te–Tk )

ahol:

f – arányossági tényező és

Tk – a környezeti hőmérséklet.

Az f arányossági tényező függ az elnyelő felület anyagától, kialakításától, minőségétől, a környező tárgyak távolságától, hőmérsékletétől, valamint a légáramlástól. Ezen túlmenően az arányossági tényező csak szűk hőmérséklet tartományban tekinthető állandónak (0–40 °C).

Az f arányossági tényezőre W/m2K-ben az építészetben használatos néhány anyagra különböző légsebességekre az 1.2. táblázat értékei az irányadók.

1-2. táblázat - „f” arányossági tényező

Légsebesség (m/s)

1

4

7

10

Gipsz, durva vakolat

20

36

52

68

Tégla, cement vakolat

16

29

42

55

Üveg, fehér festék

9

17

25

33


A különböző felületekre vonatkozó abszorpciós és eemissziós tényezőre az 1.3. táblázat ad áttekintést. Így pl. Ebe = 400 W/m2-es bejövő sugárzásnál, Tk = 20 °C környezeti hőmérsékleten a durva világos vakolattal rendelkező fal hőmérséklete Te =1 m/s szélsebesség esetén (f = 20 W/m2K; α = 0,40)

T e E be α f + T k = 4000,4 20 +20=28°C MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGubWaaSbaaSqaaiaadwgaaeqaaOGaeyyrIa0aaSaaaeaacaWGfbWaaSbaaSqaaiaadkgacaWGLbaabeaakiabgwSixlabeg7aHbqaaiaadAgaaaGaey4kaSIaamivamaaBaaaleaacaWGRbaabeaakiabg2da9maalaaabaGaaGinaiaaicdacaaIWaGaeyyXICTaaGimaiaacYcacaaI0aaabaGaaGOmaiaaicdaaaGaey4kaSIaaGOmaiaaicdacqGH9aqpcaaIYaGaaGioaiaaykW7caaMc8UaeyiSaaRaae4qaaaa@57BE@

1-3. táblázat - „ε” emissziós tényező

α

(napsugárzásnál)

ε

(alacsony hőmérsékleten 100 °C-nál)

Fekete, nem fémes felület

0,92

0,94

Vöröstégla, kő, cserép

0,73

0,90

Sárga és barnás tégla, kő

0,60

0,90

Világos tégla, cserép, vakolat

0,40

0,50

Ablaküveg

átlátszó

0,92

Matt üveg, alumínium, galv.acél

0,50

0,25

Polírozott sárgaréz, vörösréz

0,40

0,03

Polírozott alumínium, króm

0,20

0,10

Fehér festék

0,20

0,80


Ha a napsugárzást elnyelő abszorber felületet egy üveglemezzel lefedjük (úgy, hogy kb. 20–30 mm légréteg válassza el a felülettől), a hőveszteség jelentős mértékben lecsökken, és a test hőmérséklete azonos Ebe bejövő sugárzásnál megnövekszik. Ennek az üveg szelektív áteresztőképessége az oka, azaz az üveg a rövidebb hullámhossz tartományban (magasabb hőmérsékletű sugárzás) átlátszó, de hosszabb hullámhossz tartományban (alacsony hőmérsékletű sugárzás) átlátszatlan. Vagyis a testet érő napsugárzást átengedi, de a felmelegedett test (kb. 100 °C) által emittált hosszúhullámú infravörös sugárzást nem engedi át. Az üveg ugyanakkor a test konvekciós veszteségét is csökkenti. Ez a jól ismert üvegházhatás, amit növénytermesztésnél széleskörben alkalmaznak.

Az üveg viszonylag jól átengedi a nap sugárzását. Egy 2–3 mm vastag ablaküveg transzparenciája, melyet jelöljünk α-val kb. 0,8, kétrétegű üvegé pedig kb. 0,75, ami azt jelenti, hogy a napsugárzásnak ennyied részét engedi át. Így a hővé alakult energia Ebe. a értékű lesz, ha üveget alkalmazunk. Az üvegrétegek hatását a veszteségi tényezővel közelíthetjük, melyet jelöljünk β-val, és egyrétegű üvegnél 5 W/m2K és kétrétegű üvegnél 2,7 W/m2K, ami azt fejezi ki, hogy az üveg két oldalán lévő hőmérsékletkülönbség hatására felületegységenként mennyi energia áramlik (vész el) időegység alatt.

Így az Ev veszteség kifejezhető, mint

Ev= β (Te – Tk)

Így pl. vörös téglából készült elnyelő felület hőmérséklete, ha egyrétegű üveg mögött van és környezetétől ideálisan el van szigetelve, akkor Ebe = 400 W/m2-es bejövő sugárzásnál Tk = 20 °C környezeti hőmérsékleten α = 0,73; β = 5W/m2; α = 0,8)

T e = E be aα β + T k 4000,80,73 5 +20=66,7°C MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGubWaaSbaaSqaaiaadwgaaeqaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGfbWaaSbaaSqaaiaadkgacaWGLbaabeaakiabgwSixlaadggacqGHflY1cqaHXoqyaeaacqaHYoGyaaGaey4kaSIaamivamaaBaaaleaacaWGRbaabeaakmaalaaabaGaaGinaiaaicdacaaIWaGaeyyXICTaaGimaiaacYcacaaI4aGaeyyXICTaaGimaiaacYcacaaI3aGaaG4maaqaaiaaiwdaaaGaey4kaSIaaGOmaiaaicdacqGH9aqpcaaI2aGaaGOnaiaacYcacaaI3aGaaGPaVlaaykW7cqGHWcaScaqGdbaaaa@6063@

Ha az elnyelő felületből elvezetünk, hasznosítunk Eh teljesítményt felületegységenként, akkor az egyensúlyi egyenlet a következőképpen alakul

Ebe · α · a = Eh + β (Te–Tk)

Ha az Eh hasznosított teljesítmény 100 W/m2, akkor az elnyelő felület hőmérséklete:

T e = E be aα E h β + T k = 4000,80,73100 5 +20=46,7°C MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGubWaaSbaaSqaaiaadwgaaeqaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGfbWaaSbaaSqaaiaadkgacaWGLbaabeaakiabgwSixlaadggacqGHflY1cqaHXoqycqGHsislcaWGfbWaaSbaaSqaaiaadIgaaeqaaaGcbaGaeqOSdigaaiabgUcaRiaadsfadaWgaaWcbaGaam4AaaqabaGccqGH9aqpdaWcaaqaaiaaisdacaaIWaGaaGimaiabgwSixlaaicdacaGGSaGaaGioaiabgwSixlaaicdacaGGSaGaaG4naiaaiodacqGHsislcaaIXaGaaGimaiaaicdaaeaacaaI1aaaaiabgUcaRiaaikdacaaIWaGaeyypa0JaaGinaiaaiAdacaGGSaGaaG4naiaaykW7caaMc8UaeyiSaaRaae4qaaaa@675D@

azaz 46,7 °C-ra melegszik fel a felület egyrétegű üveg mögött 100 W/m2-es hőteljesítmény elvezetése esetén. Ez például áramló folyadék vagy gáz, levegő közeg segítségével elvezethető, hasznosítható.

Az energiahasznosítás hatásfoka

η= E h E be MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacqaH3oaAcqGH9aqpdaWcaaqaaiaadweadaWgaaWcbaGaamiAaaqabaaakeaacaWGfbWaaSbaaSqaaiaadkgacaWGLbaabeaaaaaaaa@3D9E@

meghatározható. Példánkban

η= E h E be = 100 400 =0,25(25%) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacqaH3oaAcqGH9aqpdaWcaaqaaiaadweadaWgaaWcbaGaamiAaaqabaaakeaacaWGfbWaaSbaaSqaaiaadkgacaWGLbaabeaaaaGccqGH9aqpdaWcaaqaaiaaigdacaaIWaGaaGimaaqaaiaaisdacaaIWaGaaGimaaaacqGH9aqpcaaIWaGaaiilaiaaikdacaaI1aGaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaacIcacaaIYaGaaGynaiaacwcacaGGPaaaaa@59F5@

Az eddigiekből látható, hogy az üvegrétegek növelésével a veszteségeket csökkenteni lehet (természetesen csak egy határig, mert a transzparencia ugyanakkor csökken), és a felület abszorpciós tényezőjének növelése is a hasznosítható teljesítmény növeléséhez vezet. A felület emissziós tényezőjének csökkentése is a veszteségek csökkentését eredményezi. Ezért a napkollektorok felületét általában igyekeznek minél nagyobb abszorpciós tényezővel és minél kisebb emissziós tényezővel rendelkező anyaggal bevonni ill. kialakítani. Elérhetők különböző oxidok alkalmazásával olyan bevonatok, melyeknek abszorpciós tényezője α = 0,9 és emissziós tényezője e = 0,05. Az 1.12. ábrán látható görbék különböző, ún. szelektív bevonattal rendelkező kollektorok hatásfok-felület-hőmérséklet összefüggését ábrázolják egy, két ill. háromrétegű üveg alkalmazása mellett.

1-12. ábra - Különböző szelektív bevonattal rendelkező kollektorok hatásfoka

Különböző szelektív bevonattal rendelkező kollektorok hatásfoka


1. egyrétegű; 2. kétrétegű; 3. háromrétegű; —— bevonat nélkül; – – – szelektív bevonattal

A napenegia hőhasznosításában aktív és passzív hasznosítást különböztetnek meg. Passzív hasznosításnál a napenergia hővé való alakítására külön aktív gépészeti elemet a napkollektort alkalmazzák, melyhez többnyire tárolót és a felhasználás műszaki rendszerét építik ki, illetve csatlakoztatják és az egész rendszer működtetéséhez megfelelő szabályozó rendszert alakítanak ki. A passzív hasznosításnál az épületszerkezetek megfelelő kialakítása, színezése, elhelyezése szolgál a nap energiájának hőenergiává történő átalakítására. Ebben az esetben aktív elemről nem beszélünk.

Magyarországi napsugárzási viszonyok esetén elsősorban a passzív hasznosítás különböző lehetőségeit célszerű kihasználni, és az aktív rendszerekkel a használati melegvízellátást lehet az év egy részében biztosítani. Néhány mezőgazdasági technológia esetén is eredményes lehet a napenergia aktív hasznosítása. A fűtési rendszer kiváltása csak kis részben oldható meg napenergiával, így az ilyen rendszerek alkalmazása jelenleg még nem indokolt.

A napenergia közvetlen hőhasznosításával kapcsolatban összefoglalóan úgy lehet fogalmazni, hogy a rendelkezésre álló napenergia kevés ahhoz, hogy ezzel fűteni le-hessen, de nagyon sok ahhoz, hogy ne vegyük figyelembe, és kihasználjunk minden lehetőséget az ésszerű alkalmazásra.

1.4.5.2. Az aktív napenergia hőhasznosító rendszerek elemei

Az aktív napenergia-hasznosító rendszerek két fő eleme az elnyelő és energiaátalakító egység valamint az energiatárolás egysége. Ezek a különböző hasznosítási területeken különböző hangsúlyt kapnak, és a rendszer üzemeléséhez szükséges egyéb egységekkel egészülhetnek ki. Ez a fejezet a hőhasznosító rendszerek felépítését tárgyalja.

Az aktív hőhasznosító rendszerek általában három alapvető szerkezeti elemből állnak:

  • az elnyelőszerkezet(ek)ből (kollektorok),

  • tárolóból és a

  • működtető szerkezetekből és hálózatból.

a) Napkollektorok A kollektorok kettős feladatot látnak el:

  • egyrészt az érkező elektromágneses sugárzást átalakítják hőenergiává,

  • másrészt a keletkezett hőenergiát hőhordozó közegnek adják át.

Ezeket a feladatokat a szerkezetnek minimális sajátveszteség mellett kell ellátnia.

Az elnyelőszerkezet alaptípusa alapján megkülönböztetünk

  • síkkollektort, és

  • koncentráló elnyelőt.

A síkkollektor hőszigetelő dobozba épített elnyelőfelület, melynek felszínét különböző, a sugárzást áteresztő burkolattal (pl. üveggel) fedik. Földrészünkön a meteorológiai adottságoknak a síkkollektorok jobban megfelelnek, ezért azok alkalmazása jobban elterjedt.

A síkkollektor három fő szerkezeti eleme, amint azt az 1.13. ábra szemlélteti:

  • az üvegfedés (burkolat),

  • az elnyelőlemez,

  • a hőszigetelő doboz.

1-13. ábra - Alapfelépítésű síkkollektor keresztmetszete

Alapfelépítésű síkkollektor keresztmetszete


1. abszorber; 2. külső fedőlemez; 3. belső fedőlemez; 4. szigetelés; 5. folyadékcső; 6. kollektordoboz

A fedőlemez feladata

  • a mechanikai védelem mellett,

  • az elnyelőfelület és a külső tér közötti hőszigetelelés,

  • a napsugárzás áteresztése a lehető legkisebb veszteséggel,

  • illetve az elnyelőfelület hosszúhullámú sugárzása által létrejövő hőveszteség csökkentése.

A napsugár áteresztésénél veszteséget az anyag elnyelése és viszszaverése okozhat. Az elnyelőképességet a lemez vastagsága és anyaga (üveg esetében pl. a vastartalom) befolyásolja. A visszaverődést a lemez anyagának törésmutatója és a fénysugár beesési szöge befolyásolja.

A fedőlemezen I · d sugárzó teljesítmény érkezik, mely az „a” elnyelési tényezőnek megfelelő mértékben elnyelődik. Az (1–a) · (I–d) mértékű veszteség a fedőlemez belső felületét újra elérve onnan részben visszaverődik.

Ez egy végtelen sort képez az 1.14. ábrán is látható módon, melynek összege:

( da )= da 1( 1a )r MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaadaqadaqaaiaadsgacqGHflY1caWGHbaacaGLOaGaayzkaaGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGKbGaeyyXICTaamyyaaqaaiaaigdacqGHsisldaqadaqaaiaaigdacqGHsislcaWGHbaacaGLOaGaayzkaaGaeyyXICTaamOCaaaaaaa@49F9@

ahol:

r – a fedőlemez reflexiós tényezője,

a – az elnyelési tényező.

1-14. ábra - A sugárzás az anyagon

A sugárzás az anyagon


Az üveglemez és az elnyelő hőátviteli viszonyait mutatja a 1.15. ábra.

1-15. ábra - Üveglemez és elnyelő hőátviteli viszonyai

Üveglemez és elnyelő hőátviteli viszonyai


A fedőlemez anyagát tekintve lehet üveg és transzparens műanyaglemez. A műanyagok használata az üvegek alkalmazásával szemben sokszor előnyösebb, mert a műanyag nem törékeny, a tömege jóval kisebb és a fényáteresztése egyenletesebb. Hátránya azonban a karcolódási érzékenység, a kisebb élettartam és az anyag öregedésének hatása, valamint a beépítésnél figyelembe kell venni azt is, hogy a műanyag hőtágulása jóval nagyobb az üvegénél. A jó minőségű kollek-tor-szerkezetnél kis vastartalmú edzett tükörüveget használnak.

Az elnyelő és a fedőlemez között sugárzásos hőcsere és konvekciós hőátvitel jön létre. A fedőlemez és az elnyelő közti sugárzásos hőcsere hőátbocsátási tényezője a két sík hőmérsékletkülönbségének függvényében számítható. A konvekciós hőátvitel mértékét a légrés mérete, helyzete és a hőmérsékletkülönbség befolyásolja.

Az elnyelőlemez anyaga – mint minden anyag – a sugárzást részben elnyeli, visszaveri és átereszti. A napenergiás elnyelőfelület felszínét úgy alakítják ki, hogy az az érkező sugárzást a lehető legnagyobb mértékben nyelje el. A bevonat egyúttal sugárzónak is számít. Az elnyelés következtében a bevonat, ill. a lemez felmelegszik, és hőmérsékletének megfelelő mértékben sugározni fog.

Az elnyelőfelület anyagának kiválasztásánál figyelembe kell venni, hogy a napsugárzás mely hullámhosszúságú hányadát nyeli el a legnagyobb mértékben. Az abszorber elnyelőképességének növelésére kétféle megoldás általános:

  • Az elnyelőfelület mikrostruktúrájának szelektív kialakítása. Ez tulajdonképpen az elnyelőfelületen kis koncentráló kollektorok kialakításával történik, melyet az 1.16. ábra szemléltet.

  • Az elnyelőfelület szelektív bevonattal való bevonása. A többrétegű bevonat az interferencia elvén működik, azaz a különböző hullámhosszúságú napsugárzást a különböző bevonatok nyelik el, és ezek együttes hatása szélesebb hullámhossztartományban teszik lehetővé azelnyelést. A szelektív bevonat lehet:

  • fémbevonat,

  • fémoxid bevonat,

  • optikai elven működő bevonat.

1-16. ábra - Az elnyelőfelület mikrostuktúrájának kialakítása

Az elnyelőfelület mikrostuktúrájának kialakítása


A kollektordoboz az elemek összeépítését teszi lehetővé, és biztosítja a hőtechnikai szerelő egységet. A doboznak biztosítania kell az elnyelő és a fedőlemez közötti megfelelő légrést, a hátoldali hőszigetelést, a szerkezet víztömör lezárását, és a szerelhetőséget. A legáltalánosabban alkalmazott hőszigetelő anyagok:

  • sztirol hab (hungarocel),

  • poliuretán hab (porán),

  • PVC-hab,

  • polietilén hab (polifoam),

  • polipropilén hab,

  • karbamid-formaldehid gyanta,

  • fenol-formaldehid gyanta,

  • műgyanta kötésű ásványgyapot.

A kollektorok felépítésük alapján az alábbi alaptípusokba sorolhatók:

  • hővédelem nélküli kollektor,

  • egyrétegű üvegezésű kollektor

  • két és többrétegű üvegezésű kollektor,

  • vákuumkollektor.

Az elnyelőelem szerinti csoportosításban a kollektorok lehetnek:

  • táskás elnyelők (ezt a típust főleg levegő hőhordozós napkollektoroknál alkalmazzák),

  • csöves elnyelők,

  • csőjáratos lemezes elnyelők.

A csőjáratos lemeznél a szelektív elnyelő lemezbe sajtolt vörösréz csőkígyóról van szó. A lemez anyaga lehet alumínium.

A kollektoroknál három alapvető csővezetési mód alkalmazott: kígyó alakú folyadékcsatorna, regiszter típusú csatornarendszer, valamint a spirális csatornarendszer (1.17. ábra). Alkalmazásukat a folyadék nyomásviszonyai, az áramlási ellenállás, ürítési és légtelenítési szempontok határozzák meg.

1-17. ábra - Kollektorok csővezetési megoldásai

Kollektorok csővezetési megoldásai


Energiaigénytől függően egyszerre több kollektor is alkalmazható, a kollektorok egymással többféleképpen kapcsolhatók össze. A síkkollektorok összekapcsolásának változatait mutatja a 1.18. ábra.

1-18. ábra - Síkkollektorok kapcsolási lehetőségei

Síkkollektorok kapcsolási lehetőségei


1. soros; 2. párhuzamos

Koncentráló kollektor esetében a sugárzást az elnyelő átalakító és hőcserélő felületéhez koncentrálják. A koncentráló kollektorok legfontosabb tulajdonságai:

  • nagy üzemi hőmérséklet előállítására alkalmas,

  • az optikai elven történő koncentrálás csak direkt sugárzás esetén lehetséges,

  • a hőelnyelő átalakító-hőcserélő felület lényegesen kisebb, mint a síkkollektoroké,

  • a berendezésnek napkövetőnek kell lennie,

  • a szerkezet a szennyeződésekre érzékeny.

A koncentráló kollektor szerkezeteknek két fajtája ismeretes:

  • lineáris koncentráló szerkezetek (a sugárzást síktükrökkel koncentrálják)

  • és parabolikus koncentrálók (a sugárzást parabolatükrökkel koncentrálják).

Ezek néhány fajtáját mutatja be az 1.19. ábra.

1-19. ábra - Koncentráló kollektor szerkezetek változatai

Koncentráló kollektor szerkezetek változatai


A lineáris koncentrálású szerkezetek tulajdonságai:

  • a koncentrálás síktükrökkel történik,

  • a koncentrált sugárzás felülete a tükrök felületének a sugárzásra merőleges komponense,

  • az elnyelőszerkezet az előzőnek megfelelő méretű síkkollektor,

  • a koncentrálás mértéke nem haladja meg az ötszöröst.

  • a kollektort nem szükséges feltétlenül napkövetővé tenni, ha figyelembe vesszük a mellékirányban bekövetkező teljesítménycsökkenést,

  • a kollektor a szórt sugárzás is hasznosítja.

A parabolikus kollektorok feladata az, hogy a beérkező sugarakat vonallá vagy ponttá koncentrálja. A parabolikus kollektorok alapvető tulajdonságai:

  • nagyarányú koncentrálást valósít meg,

  • csak a közvetlen sugárzás hasznosítja,

  • pontos napkövetést kell biztosítani,

  • az elnyelőszerkezet kis felületű, ezért jó hőszigetelő. Hátrányuk azonban az, hogy az elnyelőszerkezet sugárzással végbemenő hővesztesége jelentős lehet a nagy hőmérséklet miatt.

A kollektorok hatásfoka függ az elnyelési tulajdonságoktól, a hőveszteségtől, és a hasznosított hő elvezetési viszonyaitól. A hatásfok a hasznos teljesítmény és az energia viszonya. A kollektordoboz hőveszteségét az előoldali sugárzás (kes) és konvekció (kek) valamint a hátoldali hővezetés (kh) összege adja.

k = kes + kek + kh

A gyakorlati életben a közelítő kollektorhatásfok görbéket használják a kollektorok műszaki dokumentálására, erre mutat példát az 1.20. ábra (ahol tm az áramló folyadék átlaghőmérséklete, te a környezet hőmérséklete).

1-20. ábra - Közelítő kollektorhatásfokok

Közelítő kollektorhatásfokok


a. kollektorhatásfok; b. (tf1-tf2)/I; 1. vákuumkollektor; 2. szelektív üveg; 3. és 4. 2 üveg; 5. fekete elnyelő; 6. 1 üveg; 7. abszorber

A rövididejű hatásfok értéke:

η= mc( t f1 t f2 ) I MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacqaH3oaAcqGH9aqpdaWcaaqaaiaad2gacaWGJbWaaeWaaeaacaWG0bWaaSbaaSqaaiaadAgacaaIXaaabeaakiabgkHiTiaadshadaWgaaWcbaGaamOzaiaaikdaaeqaaaGccaGLOaGaayzkaaaabaGaamysaaaaaaa@43B3@

ahol:

m – a folyadékáram,

c – a folyadék fajhője,

tf1 – a kilépő folyadék hőmérséklete,

tf2 – a belépő folyadék hőmérséklete.

b) Hőtárolás szerkezetei

Általában négy hőhordozó csoportot

különböztetnek meg:

  • vizes hőhordozók (max. 100 °C-ig alkalmazható),

  • glikol oldatok (ezek max. 140 °C-ig tűrik a hőmérsékletet). A glikololdat egészségre káros és a szerkezet anyagát is károsítja.

  • termoolajok (hőmérséklettűrése maximum 300 °C-ig),

  • szintetikus hőhordozók, mint pl. szilikonolaj keverékek (400 °C hőmérsékletig). A szilikonbázisú hőhordozó közegeknél különleges szigetelésekre, tömítésekre van szükség

A hőhordozó közeggel szembeni biztonsági követelmények az alábbiak:

  • jó fagyállóság,

  • magas forráspont,

  • az üzemi tartományban megfelelő viszkozitás,

  • kémiai stabilitás,

  • a szerkezeti anyagokat és tömítéseket ne károsítsa,

  • ne legyen tűzveszélyes és biológiailag veszélyes.

A napsugárzás jelenléte és a napsugárzásból termelt hő felhasználása között sok esetben eltérés lehet, amelyet az alábbi tényezők okozhatnak:

  • időeltérés a sugárzáshasznosítás és a fogyasztás között,

  • a felhasználás igénye nagyobb a pillanatnyi termelt mennyiségnél,

  • nincs sugárzásnyereség (pl. borultság vagy árnyék miatt).

A szolártechnikai tárolók hatásosságuk szerint az alábbi módon csoportosíthatók:

  • rövididejű tárolók (általában 24 órára hatásos)

  • közepes időtartamú tároló (1–4 hetes időtartamú)

  • hosszú idejű tároló (egész idényt kiszolgáló).

A tárolók töltetük szerint lehetnek:

  • folyadék töltetűek,

  • szilárd töltetűek és

  • kémiai töltetűek.

A rövididejű (kis)tárolók napi hővesztesége nem éri el a napi 10%-ot, a nagy (évszakos) hőtárolók hővesztesége azonban a 30%-ot is meghaladhatja. A hőveszteség csökkentésére részben alkalmazható megoldás az, ha a veszteséghővel hasznos épületrészeket fűtünk.

A hőtároló hőtechnikai jellemzőit a következő folyamatok befolyásolják:

  • A kollektor szakaszos üzemű és teljesítménye változó, az érkező közeg hőmérséklete azonban nagyobb a hőtároló hőmérsékleténél.

  • A töltés és a fogyasztás ideje egymástól független, a tároló hőmérséklete időben változó.

  • A fogyasztó hőmérsékletigénye nem függ a hőtároló hőmérsékletétől.

Európában főleg víztöltésű hőtárolók használatosak, ahol a tartály anyaga fém műanyag vagy beton lehet. A víz korrodáló hatása miatt fontos követelmény a hőtárolóval szemben a korrózióállóság.

A termelő kollektorkör és a fogyasztókör a tárolóhoz kétféleképpen kapcsolódhat: Közvetlen kapcsolatnál a kollektorban áramló víz jut el a tartályba és onnan a fogyasztóhoz. Ezen belül megkülönböztetünk

  • nyomás nélküli egykörös rendszert és

  • nyomás alatti egykörös rendszert.

Közvetett (kétkörös) kapcsolat akkor használatos, ha a hőhordozók eltérőek, vagy a közvetlen összeköttetés nem valósítható meg. A kétkörös rendszernek két megoldása van:

  • nyomás nélküli kétkörös tároló

  • nyomás alatti kétkörös tároló (hőcserélő).

A hasznosítás hatásosságát a szükséges tárolótérfogat és a fogyasztás jellege befolyásolja. A szükséges térfogatot a tároló üzemi viszonyai és a napi fogyasztás befolyásolják. A hasznosítás hatékonyságát a fogyasztás mennyisége mellett a fogyasztás jellege (időbeli eloszlása) is befolyásolja. Ennek alapvetően két csoportját különböztetjük meg, egyik az, amikor sugárzás nélküli időszakban van fogyasztás, illetve amikor a teljes napon keresztül folyamatos fogyasztás van. Ma általában kétkörös rendszerek használatosak, ezek vagy speciális tárolóval vagy hőcserélővel működnek.

c) Működtető szerkezetek A működtető szerkezeteknél a szolártechnikában általában az épületgépészetben is ismert rendszereket alkalmazzák, ezért csak a speciális különbségekre térünk ki. A működtető szerkezetek fő csoportjai:

  • a keringető rendszerek,

  • a hőcsere rendszere,

  • szabályozás

  • biztosítás berendezései.

Folyadék hőhordozók keringetésére a fűtéstechnikában használatos szivattyúkat alkalmaznak, az ezekkel szemben támasztott követelmények szolárkörben való alkalmazás esetén:

  • üresjárati maximális hőmérséklet,

  • számolni kell a hálózati víznyomás miatti többletigény fellépésére,

  • nagyobb hőmérséklettűrés,

  • a megfelelő tömítettség.

Szoláris rendszereknél legáltalánosabban fagyálló folyadékkal töltik fel a csőhálózatot, így ezeknél a szivattyúknál az eltérő viszkozitást kell figyelembe venni. Sok esetben a teljesítményfelvétel megnövekszik. A napkollektorokban a hőhordozó folyadékáram viszonylag kicsi, az elnyelőfelületre vonatkoztatva a fajlagos folyadékáram 50–100 l/óra m2. Ez nagyon kis vízmennyiséget jelent a szokásos 3–4 m2-nyi kollektorfelület mellett.

A hőcserét szolártechnikai rendszerekben vagy külső hőcserélő szerkezettel oldják meg, vagy pedig a tárolótartállyal összeépített hőcserélővel, amely lehet fűtőköpeny, vagy beépített csőkígyó. A szolártechnikai rendszerek kialakítása, pl. a fagyálló folyadékkal való feltöltés, ill. a különböző hőmérsékleti viszonyok igénylik azt, hogy kétkörös rendszereket használjunk, azaz a kollektor ill. a fogyasztókör egymástól elválasztott legyen. A hőcserélő azonban egy felesleges hőmérsékletesést jelenthet, illetve megnöveli a szerkezeti működtetési és szabályozási szerkezetek számát. Tárolóval összeépített hőcserélő esetén, amennyiben a fűtőköpenyről van szó, a szükséges hőátadó felület egységnyi kollektorfelületre vonatkoztatva 0,5–0,6 m2/m2. A csőkígyó anyaga ez esetben lágy vörösrézcső, az alkalmazható csőátmérő 12–18 mm. Az egységnyi kollektorfelületre vonatkoztatott csőhossz kb. 6 fm/m2, menetek között fél csőátmérőnyi rés kell. A hőcserélőket általában túlméretezni szokták, ez azonban nem jelent jelentős hibát, mivel a lehető legkisebb hőfokesés elérése a cél, és ezzel ez így biztosítható.

Akárcsak minden épületgépészeti zárt hasznosító vizes rendszernél, szükség van zárt tágulási tartály beépítésére. Ezek a tartályok csökkentik a korrózióveszélyt és a fagyálló folyadék öregedését azáltal, hogy a hőhordozó oxigéndúsulását megakadályozza. A kollektorköri hőhordozók átlagos teljes hőtágulása 100 °C-ra történő melegítéskor kb. 5%, 150 °C-ra történő melegítéskor kb. 9%.

A napenergia hasznosításban speciális szabályozási igénye a szolárkörnek van szivattyús keringetés esetén. Ennek érdekében a kollektorba be-és onnan kilépő hőhordozó hőmérsékletét mérik, és ezen hőmérsékletek különbsége adja a szabályozás alapját. Általánosan elmondható, hogy ha e két pont között legalább 3 °C a különbség, a keringető szivattyúk beindulnak, ezt a differenciálszabályozó biztosítja. Az érzékelőket olyan helyre kell beépíteni, ahol a hőhordozóval teljes mértékben érintkeznek, A legtöbb szabályozó rendelkezik hőmérséklethatárolóval, ez azt eredményezi, hogy a 95 °C-nál melegebb víz nem kerülhet be a tárolóba. Ez a jelenség akkor jön létre, ha fogyasztás nélküli üzemeltetés van, és ezzel főként a szivattyú és a tágulási tartály károsodása akadályozható meg. Fontos arra odafigyelni, hogy a magára hagyott kollektorban a hőhordozó felforrhat, ez károsíthatja a szerkezetet, így sok esetben a kollektorokban figyelembe veszik az üresjárati hőmérsékletet. Ez az a hőmérséklet, amelynél a magára hagyott kollektor nem lehet melegebb, azaz a hőveszteség a hasznosított sugárzással egyenlő.

A biztonságos üzemeltetéshez fontos még a túlnyomás megszüntetése. Általában 100 °C fölött van ezeknek a rendszereknek a forráspontja, ha a fagyálló keveréket alkalmazzuk, akkor is, de adott esetben a hőhordozó hőmérséklete meghaladhatja a forráspontot. A túlnyomást ezért rugós biztosító szeleppel vezetik le.

Az üresjárati túlmelegedés és a túlnyomás kiküszöbölésére több lehetőség ismert:

  • nagy tárolókapacitás,

  • folyamatos fogyasztás fenntartása,

  • csúcshőmérsékletet és nagy nyomást is elviselő anyagok alkalmazása,

  • nagy forráspontú hőhordozó közeg alkalmazása.

  • a kollektor automatikus leürítése a veszélyes hőmérséklettartományban,

  • valamint hőérzékelővel működtetett leeresztő mágnes-szelep, amely a kollektor csúcshőmérséklete esetén egy tárolóba üríti a hőhordozót.

A száraz kollektor kevésbé van kitéve a veszélynek. Ennek hátránya az, hogy az üzem visszaállítása kézi beavatkozást igényel, azaz a tároló csapját kinyitva a szivattyú visszajuttatja a rendszerbe a hőhordozó közeget.

Hasonló biztonsági jellegű megoldás a leürítést hasznosító rendszer. Ez kézi leürítést feltételez olyan területeken, ahol csak keringetés idején van feltöltve a rendszer, azaz pl. ha nem fagyállóval töltik fel és szezonális működtetésről van szó.

A szolárrendszer üzemeltetéséhez tartózó elengedhetetlen egységek a légtelenítő szelep, valamint a töltő-ürítő csap.

1.4.5.3. Foto villamosenergia átalakítás

A napenergia hasznosításának rövid történelmi átfutásából láthattuk, hogy a hőhasznosítás több ezer éves történelmi tradíciókkal rendelkezik. A fotovillamos energiaátalakítás tágabb értelemben az utóbbi 150 év, szűkebb értelemben azonban az utóbbi 30 év eredménye.

Ha a fotovillamos energiaátalakítás történetét áttekintjük, elsőként Becquerel nevével találkozhatunk, aki 1839-ben fedezte fel a fotovillamos effektust. A következő név Willoughby Smith, aki 1873-ban kimutatta szelénen a fény hatására bekövetkező ellenállás változást. Három évvel később 1876-ban Adams és Day ugyancsak szelénen fotofeszültséget mért, de további hét évnek kellett eltelni ahhoz, hogy Fritts az első működő fotovillamos cellát elkészítse. Tehát ekkor készült az első fény hatására villa-mos jelet kibocsátó eszköz. Energiaátalakítási megfontolásról még szó sem lehetett, hiszen csak majdnem hatvan év múlva, 1941-ben sikerült elérni mintegy 1%-os energiaátalakítási hatásfokot. A szilícium alapanyag megjelenése, a félvezető eszközök térhódítása új irányt adott a fotovillamos eszközök fejlődésének.

1953-ban, mint említettük, Pearson, Fuller és Chapin 6% energiaátalakítási hatásfokú szilícium alapanyagú fotovillamos elemet készített. Ettől az időponttól lehet tulajdonképpen napelemről beszélni, hiszen az elért energiaátalakítási hatásfok összemérhetővé vált más energiaátalakítási módok hatásfokával. (Hőenergiából mechanikus energiát pl. gőzmozdony 4–6%-kal, belső égésű motor 20–30%-kal alakít át.) Annak ellenére, hogy 1958-ban már földi viszonyok mellett is 14%-os hatásfokkal üzemelő szilícium napelemek készültek, a földi alkalmazás elterjedése nem jöhetett szóba az igen magas előállítási költségek miatt.

1958-ban a Vanguard I. műhold 5 mW-os adójának energiaellátására alkalmaztak űrben először napelemeket. Ezt számos szovjet és amerikai műhold követte, melyeknek fedélzeti villamosenergia ellátását napelemekkel oldották meg. Az űrben egyértelműen egyeduralkodó lett a napelemes energiaellátás. A földi alkalmazás elterjedésének a 70-es évek elején jelentkező olajválság adott jelentős lökést. Az ezt követő időszakban néhány év alatt a kutatási ráfordítások összege a világon mintegy százszorosára növekedett, és a technológiai fejlesztésre költött dollármilliárdok meghozták az eredményt. Az előállítási költségek rohamosan csökkeni kezdtek, és a napelemek alkalmazási köre egyre szélesedett. Ma már a napelemeket használják vezeték nélküli híradástechnikai berendezések, távjelző berendezések, katódos korrózióvédelmi berendezések, öntöző és vízellátó berendezések, villamos hálózattól távol eső települések áramforrásaként, néhány száz W-tól több 10 kW teljesítménytartományban. Sőt 1982-ben Hesperiában Californiában az l MW-os, 1984-ben Carrissa Plainben szintén Californiában a 6 MW-os és Sacramentoban a 2 generációs 1,2 MW-os napelemes villamosenergia termelő rendszert helyezték üzembe. Carrissában a 100 MW-os rendszer munkálati beindultak, és Sacramentoban tervezik a 120 MW-ost, úgy, hogy 240 MW-ra bővíthető legyen. Nem olyan léptékben, mint az Egyesült Államokban, de Európában is az elmúlt időszakban a közösség országai (EEC) jelentős lépéseket tettek az energetikai alkalmazás felé. 1981-ben kezdődtek a 15 db (30 kW-tól 300 kW tartományba eső), összesen 1 MW-ot képviselő napelemes villamosenergia termelő rendszerek munkálatai, melyek 1984-re elkészültek és villamos energiát termelnek. Spanyolországban a British Petrol 1 MW-os napelemes rendszert épít, és Japánban 1985 februárjában az első energetikai célra készült amorf szilícium alapanyagú napelemes rendszert 400 kW csúcsteljesítménnyel üzembehelyezték.

1958-ban a világon évente kb. 3 kW, 1960-ban kb. 10 kW, 1963-ban kb. 20 kW, 1970-ben kb. 100 kW, 1983-ban 21,7 MW és 1984-ben kb. 25 MW napelemet állítottak elő. A napelemek Wattonkénti eladási ára az 1958-as 500 dollárról 1960-ban 250 dollárra, 1963-ban 110 dollárra, 1970-ben kb. 60 dollárra, 1983-ban kb. 7 dollárra, 1984-ben 5 dollárra és napjainkban kb. 2 dollárra csökkent.

Az energetikai alkalmazásnál elsősorban a hagyományos fosszilis tüzelésű ill. atomerőművi rendszerekkel kell a napenergiás áramforrásnak versenyképesnek lenni. Természetesen a gazdasági mérlegelésnél nem csak a hagyományosnak tekinthető erőművi rendszerek beruházási költségével, hanem egy adott időszakra (pl. 20 év) vonatkozó összes költségével kell összevetni a napelemes rendszer alternatíváját. Tehát a tüzelőanyag, üzemeltetési költség, környezetszennyezési konzekvenciák, adott esetben bányanyitási költség, vagy ha import az energiahordozó, akkor annak piaci tényezőktől függő bizonytalansága, árfüggése is kell, hogy szerepeljen a gazdasági mérlegelésnél. A gazdasági mérlegelés soktényezős vizsgálata igen komoly, átfogó szemléletet igényel.

a) A napelemek, napelem modulok

A napelem olyan fotovillamos elem, mely a Nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja át villamos energiává. A félvezető anyagokat érő sugárzás azon része, melynek EF energiája nagyobb, mint a félvezető anyag Eg tiltottsáv-szélessége, a félvezető anyagban lyuk-elektron párt generálhat, amennyiben az anyag felületéről nem verődik vissza, illetőleg az abszorpcióhoz elegendő anyagvastagság áll rendelkezésre.

A fotovillamos elem olyan kialakítású, hogy a megfelelő vastagságú félvezető anyagban lyuk-elektron párt szétválasztó réteggel, többnyire pn átmenettel, valamint az áram elvezetésére szolgáló p, ill. n réteghez csatlakozó kontaktussal rendelkezik, és aktív felülete olyan, hogy arról a félvezető anyag számára hasznosítható Eg-nél nagyobb energiájú sugárzás minél kisebb mértékben verődjék vissza.

Az egyedi napelemek villamos és mechanikai jellemzői általában nem megfelelőek közvetlen felhasználásra, ezért nagyobb egységekbe, modulokba szerelik őket. A napelem modulok konstrukciós szempontjai összetettek. Általában a kialakult nemzetközi és hazai gyakorlat az, hogy – ha éppen a konkrét felhasználás nem támaszt egyéb igényt – a modul feszültségét úgy választják meg, hogy illeszkedjék a hozzá csatlakozó energiatárolóhoz, illetve ennek szabványos feszültségéhez. A leggyakrabban 12 V-os akkumulátor töltésére alkalmas modulokat készítenek, de használatosak 6 V-os és 24 V-os névleges feszültségű modulok is.

Egyenletes üzem érdekében energiatárolásra van szükség. Például ha teljesen feltöltött akkumulátorral indítják az üzemet januárban, a napelem modul kevesebb energiát termel, mint az igény, a hiányzó töltést az akkumulátor biztosítja, és az akkumulátor kb. május végén lesz újra teljesen feltöltött állapotban. Júniustól szeptember végéig az energiatermelés meghaladja az igényt, és miután az akkumulátor teljesen fel van töltve ez az energiatöbblet elvész. Októbertől kezdve újra az energiatárolóban lévő töltésre van szükség, a teljes energiaigény biztosításához. Az akkumulátor legközelebb a következő év szeptemberének végén lesz teljesen feltöltve, majd a folyamat évente ismétlődik, vagyis a teljes feltöltés évente egyszer, szeptember végén következik be.

Ha a fogyasztói energiaigény meghaladja a napelem modul energiatermelését, akkor a modulok párhuzamos kapcsolásával lehet az igényeket kielégíteni. A párhuzamosan kapcsolt modulok száma:

n= Q L Q M MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGUbGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGrbWaaSbaaSqaaiaadYeaaeqaaaGcbaGaamyuamaaBaaaleaacaWGnbaabeaaaaaaaa@3BE2@

ahol:

QL – [Ah/nap] az átlagos terhelés,

QM – [Ah/nap] egy modul átlagos töltése (biztonsággal).

Napelemes áramforrásokat számos cég gyárt, rendszertechnikailag jól kidolgozott berendezések üzemelnek.

A napelem fix tájolása esetén felületére, egy év alatt általában akkor érkezik maximális energia, ha a tájolás egyenlítő irányú, és a panelfelület merőleges a napéjegyenlőség idején mérhető maximális napsugár beesési szögre (Budapesten 42,5°). Ekkor a panelfelület vízszintestől mért szöge a szélességi kör szögével azonos (Budapesten 47,5°). Egyenletesebb eloszlású éves energiahozam biztosítása érdekében (kisebb akkumulátor) és egyéb okok miatt a telepítési hely szélességi körénél 5–25°-kal nagyobb paneldőlésszöget alkalmaznak.

Napkövető rendszerek alkalmazása intenzíven kutatott terület, de a gyakorlatban – speciális eseteket kivéve – nem terjedt el, mivel saját energiafogyasztása, különösen kisebb teljesítmények esetén, meghaladhatja az elérhető nyereséget, továbbá a szélterhelésnek ellenálló konstrukció költséges.

A technika jelenlegi állása mellett napelemes autonóm áramforrásoknál a gyakorlatban csak hagyományos ólomakkumulátorokat és NiCd akkumulátorokat alkalmaznak. Az akkumulátorok önfogyasztása hozzáadódik a hasznos fogyasztáshoz, így növeli az autonóm rendszer méreteit és költségeit.

Magas környezeti hőmérsékleten az akkumulátorok önkisülése nő (40 °C-on kb. háromszorosa az önkisülési áram a 20 °C-on mérhető értékének). A magas környezeti hőmérséklet általában magas sugárzási értékkel jár együtt, ezért az önfogyasztás értéke kevésbé lényeges. Fontosabb az elektrolit párolgásának növekedése, ami a karbantartás gyakoriságát fokozza. Alacsony hőmérsékleten az elektrolit fagyásveszélye és az akkumulátor kapacitáscsökkenése jelent problémát. A hőfok csökkenésével bekövetkező kapacitáscsökkenést az akkumulátorok túlméretezésével kompenzálják.

Ólomakkumulátorok mellett alkalmaznak NiCd akkumulátorokat is annak ellenére, hogy ezek amperóra hatásfoka alacsonyabb, önkisülése magasabb, és ára is lényegesen meghaladja az ólomakkumulátorokét. Ezzel szemben alacsony hőfokon a kapacitás csökkenése kisebb, a mechanikai igénybevételeket jól bírja és a túltöltés, illetve mélykisülés sem okoz károsodást. Nehezen megközelíthető, szélsőséges klímájú helyeken e tulajdonságai indokolják alkalmazását.

Az autonom napelemes rendszer szabályozó egysége legegyszerűbb esetben egy dióda, amely az akkumulátornak a napelem panelen keresztül történő kisülését hivatott meggátolni sötét periódusban. Általában alkalmaznak még az akkumulátor túltöltését megakadályozó szabályozó áramköröket is.

Autonóm áramforrások általában egyenáramú fogyasztót táplálnak, de inverter közbeiktatásával mód van váltakozó áramú fogyasztók energiaellátására is. Napelemes áramforrásoknál a szokásos inverter megoldások többnyire megfelelnek, csupán a jó hatásfok érték fokozott követelmény. Bizonyos esetekben speciális áramköri megoldásokat is alkalmaznak, mint például a villamos hálózatra csatlakozásnál.

Az alkalmazás perspektívájának vizsgálatánál két fő irányt különböztethetünk meg, mégpedig az

  • az autonóm napelemes áramforrásokat és az

  • energetikai rendszereket.

Az autonóm áramforrások teljesítmény nagyságrendje kW alatti értékű, míg az energetikai rendszerek alatt ebben a felosztásban az ennél nagyobb, általában több fogyasztót kiszolgáló villamosenergia termelő egységeket értjük.

1.4.6. Napenergia-hasznosító rendszerek tervezési és méretezési kérdései

A sugárzást hasznosító berendezések méretezésénél alapvetően két tényezőt kell figyelembe venni:

  • a rendelkezésre álló sugárzás energiatartalmát,

  • és a fogyasztói oldalon felmerülő energiaigényt, illetve a felhasználó által igényelt minimális hőmérséklet mértékét és időbeli eloszlását.

Az, hogy a sugárzáshasznosító berendezésen mennyi energia nyerhető, függ:

  • a földfelszínre érkező sugárzáskínálatból,

  • a napsugárzás és a hasznosító felület egymáshoz viszonyított helyzetétől,

  • valamint a hasznosító felület és berendezés fizikai paramétereitől.

A rendelkezésre álló sugárzást

  • a földrajzi elhelyezkedés, és

  • a meteorológiai tényezők határozzák meg.

E két tényező és a felhasználás ideje alapján lehet azonban azt eldönteni, hogy adott helyen a hasznosító berendezés elhelyezése milyen legyen, azaz mekkora az elnyelő optimális dőlésszöge és tájolása.

Az elnyelő dőlésszögét

  • a hasznosítás jellegzetessége (pl. csak nyári vagy egész éves üzem) és

  • a technikai lehetőségek (pl. a tető meredeksége) határozza meg.

A különböző meredekségű elnyelők az év eltérő szakaszaiban hasznosítanak többet. Nyári üzemű berendezésben a viszonylag magas nappálya miatt a vízszintes elnyelő biztosítja a legtöbb energiát. Ebben az is szerepet játszik, hogy nem érzékeny a tájolásra, hátránya azonban, hogy nem öntisztuló és nehezen üríthető le. Az egész évben működő rendszerben előnyös a meredek beépítés, mert ez nagyobb mértékben hasznosítja a kis napmagasság alatt érkező téli napsugárzást. Hazánkban az optimális kollektordőlésszög 30–60° között van (egész éves üzem esetén 43,5°; májustól szeptemberig 32,4°; novembertől márciusig 63,5°).

Magyarországon a szórt sugárzás részaránya jelentős, ez a rögzített elhelyezésű síklapú elnyelő alkalmazását indokolja. Az elnyelők optimális tájolása déli, vagy attól legfeljebb ± 15°-kal tér el. Pl. az eltérést nyugat felé azzal magyarázzák, hogy a délelőtti órákban nagyobb a párásság, mint a kora délutániban.

A napenergia hasznosító berendezések méretezésénél az alábbi jellegzetességeket és tulajdonságokat kell elsősorban figyelembe venni:

  • borult napokon nincs nagy teljesítmény,

  • a hasznosítónak időben és teljesítményben korlátozott a működése,

  • meg kell határozni a termelő oldalhoz hasonlóan a fogyasztói energiafelhasználást is, ami sok esetben nem könnyű feladat,

  • a termelő és a fogyasztó között, ha kicsi a hőmérsékletkülönbség, a hasznosítási folyamat leáll, hiszen a hasznosító hatásfoka nagymértékben lecsökken.

A fogyasztói oldalon az energiaigény ideje általában nem esik egybe a sugárzáskínálat idejével. Ennek figyelembevételével tárolókat építhetünk a hasznosító rendszerbe, és a hasznosítót úgy méretezzük, hogy rövid működési idő alatt is megtermelje a teljes napra elegendő energiát a tároló segítségével.

1.4.6.1. A használati melegvíz-készítő rendszerek

A felhasználó által igényelt minimális hőmérséklet, azaz az alsó hőmérsékletszint alatt érkező hőenergia a rendszerben nem hasznosítható. Ez a hőmérséklet azonban a rendszer jellege alapján változik. Kétféle rendszert különböztetünk meg ezzel kapcsolatban:

  • ún. nyitott rendszer, ahol a hőhordozót a fogyasztó elhasználja,

  • ill. zárt rendszer, amelyben hőhordozó kering, melyből anyagfogyasztás nincs, a körben két hőmérsékletszint van, egyik a fogyasztói igénynek megfelelő, illetve amellyel a hőhordozó visszaérkezik a hasznosítóba.

A használati melegvíz-készítő berendezés méretezésének ill. tervezésének lépései és méretezése során meghatározandó feladatok, lépések:

  • a napi melegvíz-igény kiszámítása,

  • a fogyasztás jellegének meghatározása,

  • a tároló méretének meghatározása,

  • illetve a szükséges kollektorfelület meghatározása.

A napi melegvíz-igény tisztázásánál szükség van arra, hogy a méretezendő létesítmény milyen jellegű, a fogyasztók száma, mennyi a személyekre lebontott fajlagos melegvíz szükséglet, melegvíz felhasználás. Az általánosan elfogadott napi melegvízfogyasztás adatokat az 1.4. táblázat tartalmazza.

1-4. táblázat - Napi melegvízfogyasztás adatok

Fogyasztó

Fogyasztási egység

Fajlagos fogyasztás (l)

Hőmérséklet (°C)

Lakóépület, állandó kp. melegvízellátással

1 fő/nap

75–100

60

Szállodák és panziók

1 ágy/nap

100–150

60

Kórházak, általános jellegű szanatóriumok

közös vizescsoporttal

1 ágy/nap

150–180

60

Szanatóriumok, üdülők szobánkénti fürdőszoba

1 ágy/nap

180–200

60

Kórházak és szanatóriumok iszap

és gyógykezeléssel

1 ágy/nap

200–250

60

Vendéglő

1 adag/nap

2–5

60

Mosoda

1 kg száraz ruha

15–20

60

Iskola

1 fő/nap

4–5

45

Óvoda

1 fő/nap

10–20

60

Bölcsőde

1 fő/nap

30–40

60


A méretezendő létesítmény átlagos napi melegvíz-szükségletét a

V = n V1 [liter/nap]

összefüggéssel számíthatjuk,

ahol:

n – a felhasználó személyek száma,

V1 – a személyenkénti napi melegvízfogyasztás.

A fogyasztás jellegénél figyelembe kell venni azt, hogy a melegvíz készítő berendezést csak nyári üzemben vagy pedig egész évben kerül használatra. A fogyasz-tás-termelés kapcsolatának két formája van, ezeket az 1.21. ábra szemlélteti:

  • a vízmennyiséget a sugárzás nélküli időszakban használják fel (pl. háztartásokban a reggeli és esti időszakokban),

  • a sugárzási időszakban is folyamatosan van vízfelhasználás (pl. üzemi konyhák, éttermek).

1-21. ábra - A napi sugárzásjövedelem és fogyasztás viszonya

A napi sugárzásjövedelem és fogyasztás viszonya


Az ábrán a szaggatott görbe a napi sugárzásjövedelmet ábrázolja derült napon, a szaggatott diagramok pedig a fogyasztás időszakát és mértékét.

A háztartásoknál emlegetett fogyasztói magatartásnál a berendezés könnyebben méretezhető, de megfelelő űrtartalmú tároló szükséges a biztonságos üzem szempontjából.

A második típus nehezebben méretezhető, de a vízutánpótlás hűtő hatása miatt a kollektor középhőmérséklete csökken és így jobb a teljesítmény, ami növeli a biztonságot. Fontos a fogyasztás jellegének figyelembe vételénél az, hogy a különböző forrásból származó energiák külön is elválaszthatók legyenek.

A fogyasztás jellegéből következtethetünk a tároló térfogatára. A tároló VT alaptérfogatát (liter) a napi melegvízfogyasztásból számíthatjuk. A tároló alaptérfogatát azonban a fogyasztás jellege döntő módon befolyásolhatja a szoláris rendszereknél.

Ezek alapján megkülönböztetünk egytárolós hasznosító rendszert, ill. osztott tárolós rendszert. Családi felhasználásnál általában egytárolós hasznosító rendszereket alkalmaznak.

Egytárolós rendszerben az alaptérfogaton túl szükség van egy plusz térfogat részre, amelynek szerepe:

  • ha a napenergiás jövedelem kicsi, a kiegészítő fűtés energiáját képes legyen úgy tárolni, hogy ez a napenergia hasznosulást ne befolyásolja,

  • illetve teljes borultság esetén is a kiesett melegvíz termelést teljes mértékben pótolni tudja.

Egytárolós rendszerek általában függőleges tárolók, a hőmérsékleti rétegződések miatt a tároló alsó részén vezetik ki a kollektorba menő vezetéket, és általában felül vezetik vissza a tárolóba a kollektorból érkező vezetéket. A tárolótérfogatot a kollektor felületére vonatkoztatva is meg szokták adni, ez a kollektor felületére vonatkoztatott tároló térfogat a sugárzás hasznosítását jelentősen befolyásolja, mert a fajlagosan kisebb tárolótérfogat hamarabb melegszik fel, de emiatt, mivel hamarabb éri el a megfelelő hőmérsékletet, a hőmérsékletkülönbség is hamarabb eltűnik, így ez hamarabb leállítja a sugárzás hasznosítást. A fajlagosan nagyobb tárolótérfogat lassabban melegszik fel ugyan, de a csúcshőmérséklet elérése később következik be, ezáltal jóval tovább tart a napsugárzás hasznosítása, viszont korai felmelegedésre ezzel a rendszerrel nem lehet számolni. Tehát a tárolón az alaptérfogaton kívül van egy VUF utófűtött védett térfogat is. Ez az utófűtött tér a visszatérő felett kell legyen, itt gyűlik össze a tároló legmelegebb vize, ez a keringetésből kimarad, így hőmérséklete csak vízelvétellel befolyásolható.

A szoláris tároló részt általában 45 °C-os kevert vízhőmérsékletre szokták mértezni, az utófűtés hőmérsékletét általában 60 °C-ra alkalmazzák. Kedvező azonban az, hogyha a két rendszer közötti hőmérsékletkülönbség viszonylag kicsi, ezért ha nem szükséges a nagy pótfűtés, akkor azt 50 °C-ra szokták méretezni. Az utánfűtött térfogat nagysága az így megadott hőmérséklettől, a fogyasztás jellegétől függ, ha csökkentett vízellátás megengedhető, akkor a reggeli órák vízigényére méretezzük, ha ellátást igényelünk, akkor a teljes vízfogyasztásnak kell megfeleljen a tároló mérete.

A tároló teljes térfogata (VTT) a két térfogat összege lesz:

VTT = VT + VUF

Ez általában megfelel a fogyasztás másfélszeresének, tehát a szükséges tárolókapacitást durván 1–1,5-ször a V, azaz a napi melegvízszükséglettel szokták számolni.

Ha a hálózati víz Th = 10 °C hőmérsékletű, a víztömegek felfűtéséhez az alábbi hőmennyiség szükséges:

Q = 1,1 c ρ V (tm –th) [Wh]

ahol:

c – a víz fajhője (1,16 Wh/kg.K);

ρ – a víz sűrűsége (1 kg/liter);

th – 10 °C a hálózati hidegvíz hőmérséklete;

tm – 45–60 °C a tárolt melegvíz hőmérséklete.

Ebben a képletben az 1,1-es szorzóban a tárolási és felhasználási veszteségek vannak beépítve.

A napsugárzás hasznosítható energiájának éves eloszlását a 1.22. diagram ábrázolja, ez alapján meghatározható egy időszakra vonatkozó hőmennyiséget.

1-22. ábra - A Napból beérkező sugárzási energia havi átlagértékei Magyarország területén (kW/m2/hónap)

A Napból beérkező sugárzási energia havi átlagértékei Magyarország területén (kW/m2/hónap)


A kollektorok teljes hatásfokát a gyártók meg szokták adni. Ez a hatásfok függ a fajlagos folyadékáramtól (m [kg/m2]), a fajhőtől (c [kJ/kgK]), a kollektor hőátbocsátási tényezőjétől (kK [kJ/m2K]):

η= mc k k ( 1 e kh/mc ) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacqaH3oaAcqGH9aqpdaWcaaqaaiaad2gacaWGJbaabaGaam4AamaaBaaaleaacaWGRbaabeaaaaGcdaqadaqaaiaaigdacqGHsislcaWGLbWaaWbaaSqabeaacqGHsislcaWGRbGaamiAaiaac+cacaWGTbGaam4yaaaaaOGaayjkaiaawMcaaaaa@4683@

A kapott értékből és a teljes sugárzás napi adatából meghatározható a hőhordozó közegben hasznosított energia aránya. A hőhordozó közegben hasznosított energia és az érkező energia aránya adja a sugárzásra vonatkoztatott kollektorhatásfokot. A hőhordozó közegben hasznosított energia és a melegvíz előállításához szükséges energiamennyiség aránya adja szükséges kollektorfelületet.

AK = Qh / Q

1.4.6.2. Uszodák, szabadtéri medencék temperálása

Korábbiakban említettek alapján a szabadtéri medencék használati időszaka egybeesik a sugárzásban gazdag időszakkal. A medence vízhőmérséklete, mint a hasznosítás véghőmérséklete viszonylag alacsony. A medence önmaga is tárolóként működik, ezért viszonylag nagy tárolótérfogat mellett csupán a hőpótlást kell biztosítani. A nagy felületből adódóan következik azonban a hátránya is, a nagy térfogat nagy lehűlő felületet jelent, ezért a szabadtéri úszómedencék temperálásához nagy elnyelőfelület biztosítása szükséges. A szabadtéri medence hővesztesége

  • a vízfelület párolgása,

  • a konvekciós hőárama,

  • illetve a medencéből a talaj felé áramló hőárama mellett a

  • pótvíz felfűtésének hőigényéből áll. Legnagyobb ezek közül a párolgási veszteség, ez állandóan jelen van a sugárzásszegény időszakokban is. Ezt esetleg meghaladhatja a medence vizének felfűtése.

A párolgáshő egyenértéke g, ez a fajlagos párolgással egyenlő. A fajlagosan elpárolgó vízmennyiség

ρp=A · g · r [Wh/h]

ahol:

A – a medence felülete [m2];

r – a párolgáshő [670 Wh/kg].

A konvekciós hőveszteség

qk=A · αm ·(tm –te)

ahol:

am – a víz hőátadási tényezője a szélsebesség függvényében [11–17 W/m2K];

m – a vízhőmérséklet;

e – a levegő hőmérséklete.

A medencefal hővesztesége

qf =11 ÷ 18 A

A pótvíz napi mennyisége nem lehet kevesebb a medence térfogatának 5%-ánál, ez a vízforgatóval ellátott berendezéseknél kb. 30 liter pótvíz/fürdőző. Ennek felfűtéséhez szükséges hőmennyiség a

qv = 0,05 V·c ·(tm –to)/t[Wh/h]

ahol:

V – a medence térfogata [m3];

c – a víz fajhője [1,16 Wh/kg.K];

to – a pótvíz hőmérséklete;

τ – a napi üzemidő.

Az előzőek összege adja a medence hőveszteségét.

Fedett uszodában a medence fajlagos hőveszteségét állandónak tekinthetjük, ennek gyakorlati összege qösszes = 110–125 W/m2 medencefelület.

Uszodavíz felmelegítéséhez szükséges szoláris berendezések méretezésénél figyelembe kell venni a felmelegítés idejét, azaz hogy a medence vizének felmelegítése a feltöltés után történik, vagy a feltöltés előtt. Feltöltés utáni felfűtés energiaigénye jóval nagyobb, mint a folyamatos hőntartás. Két lehetőség van erre:

  • a medence felmelegedését okozhatja a saját nyereség és a szolártechnikából származó hőenergia,

  • valamint kiegészítő energia.

1.4.6.3. Épületek kiegészítő fűtése

Magyarország éghajlati viszonyai miatt a napenergiás épületfűtésnek csak korlátozott a lehetősége, mivel a napsugárzás a fűtési szezonban kevés. A fűtési célú napener-gia-hasznosító berendezést úgy célszerű ezért a hagyományos fűtési rendszerhez kapcsolni, hogy az a hideg vizet előfűtse.

Napenergiás fűtésnél a cél az, hogy legalább az épület hőveszteségét pótolni lehessen a napsugárzás energiájából. Optimális esetben a fűtési hőszükséglet 20–30%-a biztosítható napenergiával. Padlófűtés kialakításánál általánosan megfogalmazható, hogy a kollektorfelület a padlófűtés felületének legalább a fele kell legyen.

A napenergiát fűtési célra hasznosító berendezések méretezésére vonatkozó számítások alapjai megegyeznek a melegvíz-készítésre vonatkozó számításokkal.

1.4.7. A napenergia-hasznosítás ökonómiai értékelése

A napenergia ingyen van, csupán a hasznosítására kialakított rendszer kerül pénzbe. Ezért a napenergia hasznosításának ökonómiai értékelésénél azokat a költségeket kell mérlegelni, melyek a napenergia, mint energiaforrás alkalmazásával többletként jelennek meg egy rendszer kialakításakor. A napenergia hasznosítására kialakítandó rendszer megvalósításának közvetlen költségeit pontosan meg lehet határozni, össze lehet hasonlítani más lehetséges megoldásokkal, és értékelni lehet a napenergia alkalmazásának gazdaságosságát.

1.4.7.1. A napenergia-hasznosítás költségei

A költségek számbavételénél a jelenlegi gyakorlatban a megvalósítás és a működtetés költségeit veszik figyelembe. Ez egy energetikai rendszer esetén általánosságban és nagyon leegyszerűsítve úgy számítható, hogy a tervezett rendszer megvalósítási költségeihez a várható élettartama alatt felhasznált energia becsült költségeit kell hozzáadni, vagyis

B + z É

ahol:

B – az energiaellátó rendszer beruházási költsége [Ft],

z – a rendszer várható ill. garantált élettartama [év],

É – a rendszerhez felhasznált energia éves mennyiségének költsége [Ft/év].

Minthogy a napenergia hasznosító rendszer esetén energiaköltség nem merül fel, így a napenergia alkalmazásának gazdaságosságát, vagy az alkalmazás megtérülés idejét egyszerűen meg lehet határozni az előbbi összefüggésből:

B + zm É = Bn

zm = (Bn – B) / É

ahol:

zm – a napenergia hasznosító rendszer megtérülés ideje [év].

Természetszerűen a megtérülési időnek kisebbnek kell lenni mint az élettartamnak, vagyis

zm //<// z

Ha már valamilyen meglevő rendszer esetén kívánunk napenergiával kiváltani más energiaforrást, akkor a felírt összefüggésben a beruházási költségek különbsége helyett az átalakítás költsége (Ba) szerepel, vagyis

zm =Ba / É

Ebben az esetben a megtérülési időnek kisebbnek kell lennie, mint az átalakított rendszer átalakítástól számított hátralevő élettartama.

Valamennyi aktív napenergia-hasznosító rendszer fő részei a napelem/kollektor, a tároló, a szabályozó egység és a hálózat. A napenergia hasznosítására elsősorban olyan esetekben kell gondolni, ahol ezek a rendszer-elemek valamelyike megtakarítható és ezáltal a megvalósítás költsége jelentősen csökkenthető. Ilyen hasznosítási lehetőség például a tároló rendszerű (tehát nem átfolyós) melegvíz-ellátó rendszer, melynél a tárolás egyébként is megoldandó, vagy már ki is van építve. A megvalósítás költségeiben természetesen az egyik meghatározó tényező a rendszer mérete. A méret alatt elsősorban a felhasználandó energiamennyiséget és annak időbeli szükségletét kell érteni. A napenergiával biztosítandó energiamennyiség és annak időbeli alakulása meghatározza a kollektor/napelem és a tároló méretét ami a költségek legnagyobb részét alkotják. Ez azért nem köthető csupán pillanatnyi energiamennyiséghez, tehát teljesítményhez, mert az energiaszükségletet a napkollektor/napelem és tároló különböző kombinációjával ki lehet elégíteni.

A legkedvezőbb eset, ha az energiaszükséglet a nap időbeli változásával azonos módon jelentkezik. Ez a helyzet például a strandok szabadban felállított zuhanyozóinál, melyeknél a melegvíz-igény a napsütéssel szoros összefüggésben jelentkezik. Ilyen esetben egészen kis tárolóval és kis napkollektor felülettel ki lehet elégíteni az igényeket.

Már nem ilyen egyszerű a campingek melegvízellátása esetén. A melegvíz-igény ebben az esetben általában akkor jelentkezik, amikor a nap már nem süt (reggel, vagy este). Az ilyen melegvíz-ellátó rendszerben a nyári nagy napintenzitás miatt nem kell nagyméretű kollektor, de jelentős tárolóról kell gondoskodni.

Sokkal költségesebb az a napenergiás rendszer, melytől a téli időszakban a használati melegvíz-igény egy részét, vagy a fűtési rendszerre való rásegítését várjuk el. Az ilyen rendszereknél nagy kollektor felület és nagy tároló kapacitás kiépítése szükséges, ami már kis teljesítmény esetén is számottevő méreteket és költségeket igényel.

A napenergia hasznosító rendszerek esetén a megvalósítási, azaz a beruházási költségeket tehát fajlagos teljesítményekhez, vagy energiamennyiségekhez kötni mértékadóan nem lehet. A napenergia hasznosító rendszer költségeit a rendszerek elemeinek fajlagos adataiból lehet a leginkább kalkulálni, tehát kollektor felületre vonatkoztatott fajlagos ára, vagy a tároló térfogatra vonatkozó fajlagos ára alapján. A költségek számításánál a tervezett rendszerrel szemben támasztott követelmények, beleértve a minőségi követelményeket is ki kell választani a megfelelő gyártmányokat, és ezek alapján a napenergia hasznosító rendszer beruházási költségei kiszámítható. Az ökonómiai értékeléshez a rendszerrel megtakarítható energiaköltségek számbavétele szükséges.

1.4.7.2. A napenergia hasznosító rendszerrel elérhető energiaköltség-megtakarítás

A napenergia hasznosító rendszerrel elérhető energiaköltség-megtakarítás mértékét két tényezőből számíthatjuk: ismerni kell a helyettesített energia, vagy energiahordozó fajlagos árát, másrészt a napenergiás rendszerből hasznosítható energia mennyiségét.

A helyettesítendő energia, vagy energiahordozó árát előre csak becsülni lehet, és a becslés pontossága nagy körültekintés esetén is bizonytalan. Csupán annyi bizonyos, hogy a hagyományos energiahordozók kitermelési költségei, és a magfúziós reaktorok technikai rendszerei egyre költségesebb energiatermelést, és folyamatosan emelkedő fajlagos energiaárakat eredményez. Az áremelkedés mértékét és ennek időbeli alakulását azonban számszerűsíteni esetleg csak rövid távra lehetséges.

A napenergiával kiváltott energia mennyiségét alapvetően a tervezett rendszerrel előállítható energia mennyisége, és a rendszerből hasznosított energia mennyisége határozza meg. E két energiamennyiség egész évi alakulását vizsgálva különböző lehetőségek adódhatnak.

Az egyik szélsőséges lehetőség, ha a napenergiás rendszer teljesítménye a nyári időszakban biztosítani tudja a szükséges energiaigényt. Ilyen megoldásnál a rendszer mérete kicsi, de a kiváltott energia mennyisége is csak töredéke a felhasználásnak.

A másik szélsőséges lehetőség, ha a napenergiás rendszer méretét a téli időszak szükséglete szerint alakítjuk ki. Ebben az esetben nagy méretű rendszert kell kiépíteni és a nyári időszakban általában nem hasznosítható energiamennyiség keletkezik a rendszerben. A rendszer méretének csökkentésével a téli energiaszükséglet mértéke csak részben biztosítható, és a nyári energiafelesleg mértéke is csökken. Az a legkedvezőbb megoldás, ha a kialakított napenergiás rendszer energiáját maradéktalanul felhasználjuk. Ilyen hasznosítást általában csak a fogyasztók célszerű megválogatásával lehet elérni. A rendszerrel kiváltott energiát a hasznosítható, ill. a hasznosított energia mennyiségével kell számításba venni. Fontos azonban arra is visszaemlékezni, hogy a rendszer méretének meghatározásánál a kollektor/napelem és tároló optimális összhangját bármely megoldásnál alapvető követelménynek kell kezelni.

Az előzőekben bemutatott leegyszerűsített számítás alkalmas lehet más rendszerekkel való közelítő összehasonlításra, ám a valóságos állapotot, a tényleges költségeket ez az összefüggés nem pontosan fejezi ki. A rendszerek beruházási költségeit viszonylag pontosan meg lehet határozni, nagyobb körültekintést igényel az éves energiafelhasználás költségének megállapítása. Az energiaköltségekhez ugyanis az alkalmazott energiahordozó jövőbeni árát kell megbecsülni, és ez nem kis pontatlanságot jelent. A számítás hiányosságait nem ezeknek a tényezőknek a pontatlansága, vagy az élőmunka költségeinek elhanyagolása jelenti, hanem az a jelenlegi gyakorlat, melyben csak a közvetlen költségeket vesszük figyelembe.

1.4.7.3. A napenergia hasznosításának valóságos ökonómiai megítélése

Az az állítás, miszerint a megújuló energiaforrások túlságosan költségesek ahhoz, hogy rövid-vagy középtávon jelentős mennyiségben használjuk őket, általában a költségek egy nagyon szűk meghatározásán alapul. A költség-összehasonlítások többnyire csak azokat az úgynevezett közvetlen költségelemeket veszik számításba, amelyek egy termék előállítása és elosztása során keletkeznek. Más költségelemek, amelyeket egy harmadik fél fizet ki, aki nem vesz részt a termék előállításában, vagy annak felhasználásában, nem jelennek meg az árakban, és nem vesszük figyelembe őket költ-ség-összehasonlításokban. Ezeket a költségelemeket általában külső (externális) vagy társadalmi költségek neveznek.

Az energiatermelés és -használat ilyen társadalmi költségelemei például az erdőkben a savas eső által okozott károsodások, amelyeket az erdőtulajdonosok fizetnek meg, az ember által kibocsátott, üvegházhatást kiváltó gázok okozta nagymértékű globális felmelegedés hatásai, vagy az olyan nagy atomerőművi balesetek, mint pl. a Csernobilban történt katasztrófa. Egyetlen energiafelhasználó sem fizeti meg ezeket a hagyományos energiaforrások használatából származó költségeket.

Ha a társadalmi költségek alapján hasonlítjuk össze a hagyományos energiaforrásokat és a napenergia hasznosításának különböző technológiáit, akkor azt láthatjuk, hogy a napenergiának lényegesen alacsonyabb társadalmi költségei vannak. Így a látszólag olcsó hagyományos energiaforrások túlságosan költségesek lehetnek a társadalom számára, akár még veszélyeztethetik is az emberiség jövőjét, ha a nem megújuló energiaforrásokat és a természetnek az ember által termelt hulladéknyelő képességét a jelenlegi szinten aknázzuk ki. Az energia közvetlen költségeinek összehasonlításán alapuló, gyakran hallott kijelentések mérhetetlenül félrevezetőek, és az ezeken az alapokon hozott befektetési döntések alapvető veszteségeket okozhatnak a társadalomnak, megakadályozhatják a fenntartható fejlődést és veszélyeztethetik az emberiség fennmaradását.