full screen background image

Kedves látogató!

Az alábbiakban egy kicsit szárazabb boncolgatjuk a megújuló energiák témáját, azok számára, akik többet szeretnének tudni erre az igen nagy témáról.

MEGÚJULÓ ENERGIA

Mit jelent pontosan a megújuló energia?

Megújuló energiaforrásnak, azaz RES (Renewable Energy reSources) a természetben folyamatos, illetve folyamatosan ismétlődő energiaáramok formájában lévő energiaformákat nevezzük, melyek felhasználásának mértéke nem haladhatja meg a megújulás mértékét, tehát csak a keletkezés ütemében lehetséges kiaknázásuk is.
Azokat az energiahordozókat értjük megújulóknak, melyek hasznosításuk következtében nem csökkentik azt a forrás, amiből származnak, hanem a forrás megújul, újratermelődik illetve van lehetőség egy adott területen ugyanolyan jellegű és mennyiségű energia kitermelésére (pl: vízenergia).
Általánosságban elmondható a megújuló energiaforrásokról, viszonylag kis energiasűrűségűek, erősen függnek időszaktól, időjárástól és földrajzi adottságoktól, így az ésszerű hassználata a helybeni felhasználás minnél kevesebb átalakítással, a lehető legrövidebb szállítással.
A megújuló energiák két fő forrásból adódnak, melyek a Napenergia sugárzást hasznosítják, illetve a Föld belső hőjének, azaz kőzetekben és maganyagban tárolt hőenergiát, a geotermikus energiát hasznosítják.

Megújuló energia levezetése

Forrás: Pataky T. - Dr. Unk Jánosné: Települések mérnöki műveletei és létesítményei. BME, Tankönyvkiadó, 1990.


Az energiaáramlás elektromágneses hullámok – például látható fény vagy infravörös sugárzás – formájában érkezik a Napból a Földre (hő és fény). A Föld is ugyanígy veszít „energiát”, a visszasugárzás révén.

A foton az elektromágneses sugárzások, többek között a fény elemi részecskéje, tömege nincs, vákuumban állandó „c” (fény)sebességgel halad, anyag jelenlétében lelassul, vagy elnyelődhet, frekvenciájával arányos energiát és lendületet közvetít.

A Nap magjában lévő fúzió hatására hősugárzást és fényt bocsájt ki.

Jelenleg a Napban másodpercenként 600 millió tonna hidrogén ég el, miközben 596 millió tonna hélium keletkezik.

Hova tűnik el a hiányzó négymillió tonna anyag?

Teljes egészében átalakul energiává. A négymillió tonna anyag 100 000 000 000 000 000 000 kWh (1021 kWh) energiának felel meg. Ez durván egymilliószorosa annak az energiamennyiségnek, amit az egész világ egy év alatt felhasznál. És a Nap minden másodpercben ennyi energiát sugároz ki…

Kémiai reakciók

A napsugárzást, illetve ennek hatásait közvetett vagy közvetlen módon tudjuk energiatermelés céljából hasznosítani.

A közvetlenül felhasználható napenergiát hasznosító aktív megoldások:

Fényenergia hasznosítása (napelemek)

Hőenergia hasznosítása (fűtés,hűtés,HMW / naperőművek)

Az aktív hasznosítás alapvető jellegzetességei:

erre a célra tervezett műszaki berendezések

külső energia felhasználása: szabályozható

hőközvetítő közeg használata (pl.: napkollektor)

A napenergia hasznosítása történhet technikai eszközökkel vagy biológiai úton.

Technikai eszközök alatt olyan berendezéseket értünk, melyek közvetlenül, azaz elsődleges úton vagy közvetetten, másodlagos úton képesek hasznosítani az energiát, amely a Napból származik.

Elsődleges, vagyis közvetlen úton léteznek aktív és passzív hasznosítási módszerek, ezen megoldások hasznosítása a leggazdaságosabb az összes megújuló energiaforrást kiaknázó lehetőség közül.

Napenergia aktív felhasználásának két alapvető módja van:

Fototermikus eljárás (napkollektorok)

Fotoelektromos eljárás (napelemek)

Az aktív hasznosítás alapvetően jellemzői, hogy külön mechanikus és elektromos berendezések szükségesek hozzá. A szabályozáshoz külső energiát igényelnek. Rendszer szinten jellemzi őket, hogy valamilyen elnyelő szerkezettel működnek, közvetítő közeggel (elsősorban a kollektoroknál).

Valamilyen tároló megoldással tárolják az energiát, vagy hálózatra termelnek (házon belül, vagy közmű). Napelemnél akkumulátorok tudják tárolni a megtermelt energiát, vagy közvetlenül az elektromos hálózatba táplálnak vissza. A kollektorok hőcserélő tartályokban tárolják a megtermelt meleget.

Minden esetben szükséges valamilyen vezérlő szerkezt is.

Az energiaátalakítás útját tekintve 3 rendszert különböztethetünk meg:

napenergia - hőenergia (napkollektor)

napenergia - villamos energia (napelem)

napenergia - hőenergia - villamos energia (szolártermikus erőművek)

A két energiát teljesen másfajta módon tudjuk hasznosítani, ezért első körben azt kell eldöntenünk, hogy mire van szükségünk: elektromos áramra, vagy hőenergiára!

A napelemek segítségével (fotovoltaikus rendszerek) elektromos áramot állítunk elő, melyet a mai tudomány állása szerint is a legkönnyebben tudunk tárolni (akkumulátorokban, villamos közmű hálózatban).

A földpálya excentricitásának értéke: e = 0,0167.

A 0 excentricitás szabályos körpályát jelent, tehát a Föld pályája csak minimálisan tér el a körtől!

Földpálya

Aphélium: „Naptávol” = legnagyobb Naptávolság = 152 097 701 km

Perihélium: „Napközel” = legkisebb Naptávolság = 147 098 074 km

CsE: csillagászati egység = közepes Naptávolság = 150 millió km

Földpálya hónapokra bontva

Hónapfordulok Budapesten

Az egységnyi felületre érkező teljesítmény függ az évszaktól, napszaktól, vagyis a nap állásától.

Fontos a felület dőlése, tájolása, befolyásoló tényező a tereptárgyak árnyékolása, időjárási viszonyok, szálló por koncentrációja.

A nap intenzitását (W/m2), idejét, időtartamát, illetve az albedót lehet mérni. Az Albedo a Napból érkező és a felület által visszaverődő sugárzási energia hányadosa.

Függ a felületi minőségtől, anyagi minőségtől és helyenként évszaktól! A napsütés idejét és időtartamát a meteorológiai állomások a Campbell-Stokes rendszerű napfénytartam mérővel (pirheliometer) mérik.

Napállandó:

Napállandó

A sugárzási konstans/vagy napállandó értéke az az energiamennyiség, ami a földi légkör határának/felszínének egy, a napsugárzás irányára merőlegesen felvett négyzetméterére esik (a Földnek a Naptól számított távolságának középértékén).

Az általánosan elfogadott értéke 1366 W/m2 (műholdak által regisztrált értékek éves átlaga), de gyakorlatban a ≈ 1360 W/m2 értéket használjuk.

A konstans értékét az ISO 21348(2007) szabvány rögzíti, időszakosan felülvizsgálják a friss műholdas mérési adatok alapján.

Ez azt jelenti, hogy egy zavartalanul napsütött négyzetméterről (a légkör felső határán) ennyi energiát tudnánk begyűjteni 100%-os hatásfokú eszközökkel. A napállandó ugyanakkor számos okból változhat, ezért helyesebb szoláris paraméterként kezelni.

Globálsugárzás - napfénytartam:

Egy adott földrajzi helyen a napenergia-potenciált globálisan két paraméterrel jellemezhetjük:

a globálsugárzás különböző időtartamokra vonatkoztatott értékeivel és

az ezzel szorosan összefüggő, de az energiatermelés menetének szempontjából a globálsugárzási értékeket kiegészítő napfénytartam megadásával.

Globálsugárzás alatt egy 1 m2 nagyságú, vízszintes felületre időegység alatt érkező energia mennyiségét értjük. Mértékegysége: J/s.m2 = W/m2 A globálsugárzás spektrális összetétele jó közelítéssel állandónak tekinthető!

A sugárzás időtartama avagy a napfénytartam az a szám, amely megadja, hogy valamely időszak (óra, nap, hónap vagy év) alatt hány órán át sütött a Nap.

A napsütés küszöbértéke 200 W/m2 direkt sugárzás.

Globálsugárzás - napfénytartam

Napsugárzás energiamérlege

Napsugárzás energiamérlege

A napból kisugárzott energia közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) sugárzás révén éri el a földfelszínt.

Kisugárzott energia

Éggömb rendszer ábrázolása:

Néhány fogalom a jobb értelmezéshez:

Zenit: (Θz) a függőleges és a Naphoz húzott egyenesek által bezárt szög, vagyis a vízszintes felületre érkező napsugárzás szöge!

Nadír: függőleges egyenes (amely áthalad a megfigyelőponton és a Föld középpontján) és az éggömb látóhatár alatti metszéspontja. Az éggömb talppontjának is nevezik.

Horizont: a csillagászati zenittől 90° szögtávolságban húzódó gömbi főkör az éggömbön, síkja áthalad a Föld középpontján.

Az éggömb: egy képzeletbeli, végtelen sugarú gömb, amelynek középpontja egybeesik a Föld középpontjával, és amelyre vetülve az égitestek látszanak. Azaz a Föld a megfigyelő (a földrajzi hely) az éggömb közepén helyezkedik el, és a gömb pontosan egy fordulatot tesz meg egy csillagászati nap alatt.

Ekliptika: a Nap egy év alatt megtett látszólagos útja az égbolton, (illetve a Föld keringési síkja a Naprendszerben). A Föld egyenlítője nem esik egybe az Ekliptika síkjával, hanem 23,45°-os szöget zár be vele. Ez okozza az évszakok változását, mivel a Föld éves útja során eltérő mennyiségű napfény éri az egyes területeket.

Éggömb Földbolygó forgása

A Nap pillanatnyi helyzetét az égbolton a napmagassággal (m) és az azimuttal (a) jellemezhetjük.

Napmagasságnak (altitude) a Nap vízszintes, horizontsíkra vonatkozó beesési szögét nevezzük. Magyarországon a Nap delelési magassága legnagyobb július 21-én, ekkor a napmagasság 66°, legkisebb pedig december 21-én, ekkor a napmagasság 19°.

Nap delelés Napmagasság

Azimutnak a Nap horizontsíkra vetített helyzetének egy meghatározott iránytól való eltérését nevezzük.

A csillagászok nulla azimutnak az északi irányt tekintik.

Napenergia-hasznosítás területén célszerűbb nulla azimutnak a déli irányt felvenni, ekkor a keleti naphelyzetet negatív, a nyugati naphelyzetet pozitív előjellel vesszük figyelembe.

Nappálya

A Nap látszólagos napi mozgása az égbolton Budapest látóhatára felett:

Nap delelés Napmagasság

A nappályadiagram


A Nap helyzetét jellemző napmagasság és azimut értékeket diagramokban is szokás ábrázolni. Az ilyen ún. nappályadiagramok szemléletesen mutatják a Nap járását, és alkalmasak a benapozás és az árnyékviszonyok meghatározására is.

A nappályadiagramok egy földrajzi helyre vonatkoznak.

A diagram használatakor ügyelni kell arra, hogy az időbeosztás a valós csillagászati időt mutatja, a nyári időszámítás miatti eltérést figyelembe kell venni.

Altazimut rendszer


Altazimut („altitude-azimut”) rendszer esetén az alapsík az észlelő helyi horizontja (pl. előző dia ábrái).

A két koordináta a magasság (altitude), illetve az irányszög (azimut) Egy másik ábrázolási módszer az ekvatoriális rendszer. Fő különbsége, hogy itt az alapsík az égi egyenlítő.

A Földfelszínre jutó sugárzásmennyiség elsősorban

a Nap és a Föld egymáshoz viszonyított geometriai helyzetétől,

a napsugarak beesési szögétől és

a napsütéses órák számától függ.

Altazimut rendszer Vancouver Budapest

Waldram diagram


A Waldram diagram hengerpalástra vetíti a nappályát és a hengerpalástot kiteríti.

Származtatása: A Nap pályáját vetítsük egy henger palástjára. A szemlélő a henger alapkörének középpontjában áll (ez egy meghatározott földrajzi hely, adott szélességi körön), és az Egyenlítő felé néz.

Vágjuk fel a henger palástját az Egyenlítővel átellenes alkotó mentén és terítsük ki. Használata során be lehet szerkeszteni a környező árnyékoló objektumokat (fák, szomszédos épületek… stb.) is.

Budapest nappályadiagramja:

A vetületen látható görbékről leolvasható, hogy adott hónap reprezentáns napjának adott órájában a Nap milyen szögek alatt látszik.

Budapest nappályadiagramja

Optimális tájolás


A hasznosítható napsugárzás mennyiségét természetesen befolyásolja a hasznosító berendezés dőlésszöge és tájolása. Magyarországon a legtöbb napsütés - megközelítőleg évi 1450 kWh/m2 - déli tájolású és 40-42°-os dőlésszögű felületre érkezik.

Optimális tájolás

Légköri modellek


Optikai légréteg

A napsugárzás intenzitását a felhőzet, a páratartalom és a légszenyezettség is befolyásolja.

A Föld felszínét elérő napsugárzás valóságos értéke a kiválasztott hely számos tulajdonságától is függ(anyaga, alakja, tájolása, hajlásszöge, színe, albedója, stb.), a napsugárzás időtartamán túlmenően.

A légkör hatását egyszerűsíti az optikai légréteg fogalma, melynek jele AM (air mass). AM0 = A Föld légkörén kívül az optikai légréteg = 0, és a sugárzást AM0-val jelölik (Air Mass 0). Itt a napállandó = 1360 (1366) W/m2 AM1 = A Föld felszínére (a tengerszint magasságában) merőlegesen, tiszta, felhőtlen időben beérkező sugárzást AM1-gyel jelölik. (nem tipikus, de ideális feltétel). Ezt tekintjük „egyszeres” földi levegőrétegnek (mint elnyelő közegnek) feltételezve mintegy 925 W/m2 napállandót.

AMx = 1/cos α , ahol α a megfigyelési pontban a beérkező sugárzás és a függőleges által bezárt szög (földrajzi hely- és időfüggő!)

Pl.: 60°-ra esik be a függőlegestől, akkor AM=2. Amit úgy is tekinthetünk, hogy a beeső sugárzásnak a légréteg vastagságának kétszeresén kell keresztülhaladni 60°-os beesés esetén.

Az optikai légréteg ezen megadása a légréteg befolyásának egy túlegyszerűsítése de a gyakorlati igényeket sokszor kielégíti.

AM1,5 = 45°-os szög esetében (napállandó = 844 W/m2) (a képlet szerint pontosan 48,2°-os szögnek felel meg, de kerekítjük)

Ez az érték jó közelítés a szokásos kültéri alkalmazások esetére, illetve a napelemmodulok specifikált adatait többnyire 1000 W/m2, AM1,5 sugárzási feltétel mellett, 25°C környezeti hőmérsékletnél adják meg.

Optikai légréteg

Napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében


Napsugárzás intenzitása


A napsugárzás folytonos spektrumú, azaz különböző hullámhosszakon, különböző intenzitással történik. Fénynek nevezzük az elektromágneses sugárzásnak egy bizonyos tartományát, amelyből a 400–800 nm hullámhosszúságú az ember számára látható a következő színekben:

400–420 nm – ibolya

420–490 nm – kék,

490–540 nm – zöld,

540–640 nm – sárga,

640–800 nm – vörös.

Felette az un. „hősugárzás” (infravörös)

Felhőzet hatása a napsütés értékére

Napos idő Enyhe felhős idő Felhős idő

Napsugárzási térképek:


Naptérkép Magyarországról Naptérkép Európáról Naptérkép A Földről

Napkollektor

A napkollektor olyan épületgépészeti berendezés, amely a napenergia felhasználásával közvetlenül állít elő fűtésre vagy vízmelegítésre használható hőenergiát. Feladata a napsugárzás elnyelése, és „hőként” való átadása.
A napkollektorok segítségével (fototermikus eljárás) hőenergiát nyerhetünk, mellyel a fűtés rásegítés illetve a használati melegvíz hálózatunk egy részét támogathatjuk.

Működési elve:

Napkollektor működési elve

A napsugárzás eléri az abszorber felületét (minél kisebb veszteséggel, de az időjárástól védetten), az abszorber elnyeli a napsugárzást és felmelegszik (az energia „hővé” alakul) majd az abszorber a hőt átadja a közvetítő közegnek.

Napkollektorba beérkező nap hővé alakulása

A napkollektorok hatásfokát alig befolyásolja a külső hőmérséklet, csak a napfény intenzitása, amiből táplálkoznak.

A napkollektor első sorban használati melegvíz előállítás (HMV) alkalmas, használható továbbá épületfűtésre, de csak rásegítésként, továbbá medencefűtésre.

Napkollektor diagrammja

Napkollektor típusok:
Kereskedelmi forgalomba kapható kollektorok:

Szolárszőnyeg (lefedés nélküli, nem szelektív síkkollektor)

Nem szelektív síkkollektor

Vákuumos szelektív síkkollektor

Vákuumcsöves napkollektor

Parabolatányéros vagy tükrős (szolártermikus naperőmű)

Az abszorber:

A napkollektorok legfontosabb eleme az elnyelőlemez, az ún. abszorber. Ennek feladata az érkező napsugárzás lehető legnagyobb részének elnyelése és hővé alakítása, valamint a keletkezett hő átadása a kollektorban keringő munkaközegnek. A napsugárzást minden fekete színű és matt felületű anyag jó hatásfokkal elnyeli, azonban ha környezeti hőmérséklet fölé melegednek, maguk is sugárzóvá válnak, ami veszteséget jelent.
Az abszorber hatásfoka javítható a beérkező sugárzás növelésével. Ez a lefedés és az abszorber tükröződésének csökkentésével, valamit a lefedés elnyelésének csökkentésével (pl: vas mentes üveg) és az abszorber elnyelésének növelésével (pl: króm-oxiddal) érhető el. Fontos még az abszorber hőveszteségének csökkentése az emisszió és a konvekciós veszteségek csökkentése révén.

A szelektív bevonat:

A hősugárzás hullámhossza a sugárzó test hőmérsékletétől függ. A napsugárzás a magas hőmérsékletű Napból származik, ezért ez rövid hullámhosszú sugárzás, míg a Naphoz képest alacsony hőmérsékletű abszorberlemez hosszúhullámú sugárzást bocsájt ki.

Abszorberlemez

A jó hatásfokú napkollektorok abszorberlemezét ezért olyan úgynevezett szelektív bevonattal látják el, melyek a rövid hullámhosszú napsugárzást elnyelik, míg a saját hosszú hullámhosszú sugárzásukat nem engedik át, azt visszaverik.
Így a szelektív napkollektoroknak minimális a sugárzási veszteségük.
Szelektív bevonatként általában feketekróm-, nikkel- vagy titániumoxid rétegeket alkalmaznak. A szelektív bevonat általában 1-2μm vastagságú, fekete porózus réteg, tölcsérszerű járatokkal.

Visszaverődés Visszasugárzás

A kollektorok hőhordozó közege lehet víz, ennek előnyei: egyszerű hozzájutni, jó hővezető, egy esetleges meghibásodásnál a környezetbe jutva ártalmatlan.
Viszont csak 0-100 °C között alkalmazható. Ezért legtöbbször fagyállóval (propilén-glikol) töltik fel a rendszereket.
Léteznek levegő hőordozó közegű kollektorok is, ezekről bővebben lejjebb talál információt.

Napkollektor típusok

A napkollektoros rendszerek a kollektorokban felmelegedő folyadék szerint lehetnek egy- vagy kétkörösek.

Egykörös rendszer esetén a kollektorokban közvetlenül a felmelegítendő használati víz kering. Az ilyen rendszer előnye az egyszerűség, hátránya a fagymentes időszakra korlátozott alkalmazhatóság, valamint a kollektorokban a vízkövesedés, lerakódás és forrás veszélye.

Kétkörös rendszer esetén a kollektor kör külön zárt kör, melyet megfelelő minőségű fagyálló hőátadó folyadékkal kell feltölteni. Ekkor a kollektorokban felmelegedett fagyálló folyadék hőcserélőn keresztül fűti fel a tárolóban lévő vizet. Kétkörös rendszerek egész évben, tehát télen is biztonsággal használhatók. A kétkörös rendszerek előnye a nagyobb éves energiahozam, a megbízható, a kollektorok vízkövesedését kiküszöbölő üzem, míg hátrányuk a hőcserélő miatti nagyobb beruházási költség, és a bonyolultabb fel-, és utántöltés.

Kétkörös rendszer változatai:

tárolós:

tárolós utánfűtéssel

tárolós kiegészítő fűtéssel

A munkaközeg szállítása szerint a napkollektoros rendszerek lehetnek gravitációs (termoszifon) vagy szivattyús keringtetésűek.

Gravitációs keringtetés esetén a tárolótartály a kollektorok fölött helyezkedik el, és a folyadék munkaközeg keringése a kollektorban felmelegedett folyadék fajsúlycsökkenése (melegebb víz sűrűsége kisebb, így felfelé áramlik, lehűl, sűrűsége nő, leáramlik) miatt következik be.

Gravitációs keringetés

Az ilyen rendszerek előnye az egyszerűség, a keringető szivattyú és automatika elmaradása, hátránya a tároló helyének kötöttsége.
Gravitációs rendszereknél a keringést biztosító nyomáskülönbség viszonylag kicsi, ezért csak kis áramlási ellenállású kollektorokat és tárolókat lehet alkalmazni.
Kétkörös, fagyállóval töltött gravitációs rendszereknél gyakran fűtőköpenyes bojlereket alkalmaznak. A belső tartályban van a melegítendő használati melegvíz, míg a külső köpenyben a kollektor által felmelegített hőközvetítő közeg kering.
Gravitációs keringtetés esetén a tárolótartály a kollektorok fölött helyezkedik el, és a folyadék munkaközeg keringése a kollektorban felmelegedett folyadék fajsúlycsökkenése miatt következik be. Az ilyen rendszerek előnye az egyszerűség, a keringető szivattyú és automatika elmaradása, hátránya a tároló helyének kötöttsége.
Gravitációs rendszereknél a keringést biztosító nyomáskülönbség viszonylag kicsi, ezért csak kis áramlási ellenállású kollektorokat és tárolókat lehet alkalmazni. Kétkörös, fagyállóval töltött gravitációs rendszereknél gyakran fűtőköpenyes bojlereket alkalmaznak.

Szivattyús (levegő munkaközeg esetén ventillátoros) keringtetésű rendszerek esetén a hőátadó folyadékot szivattyú áramoltatja. A szivattyús rendszerek előnye, hogy a tároló bárhol elhelyezhető, kiterjedt rendszer építhető, melyben nem kell kis áramlási ellenállású elemeket használni, és a szivattyú ki- és bekapcsolásával, esetleg a fordulatszám változtatásával jól szabályozható üzem valósítható meg. Hátrányuk a nagyobb beruházási és üzemköltség.

Levegős napkollektor - légkollektor

A folyadék munkaközegű kollektorokon kívül léteznek levegő munkaközegű, úgynevetett levegős kollektorok is. Ezek többnyire nagy felületű abszorberrel készülnek, és gravitációsan vagy ventillátorral levegőt keringtetnek rajtuk keresztül.
A hőszállító közeg maga a fűtendő levegő.
Levegős kollektorokat általában épületek fűtésére (szoláris légfűtés), vagy a mezőgazdaságban termények szárítására, aszalására használnak.
Ezek a kollektorok rendszerint a „téli” nappályát figyelik, ezért általában függőlegesen szokták felszerelni őket a házak falára (de fektetve is lehet).
A szerkezet belsejében szabályozó tag található, amely csak abban az esetben engedélyezi a működést, ha fűtésre alkalmas a rendszer hőmérséklete.
A házilag készített napkollektorok többsége légkollektor, gyakran háztartási hulladékból, ezen belül is elsősorban üres alumínium italos palackokból, gyakran használt neve a sörkollektor.
Kétféle módon használható:
- vagy közvetlenül bevezetjük a helyiségbe, ekkor szellőzési és légfűtési célokat szolgál,
- vagy a helyiséget burkoló üveges határoló-szerkezetek légjárataiban keringetjük, amelyek ekkor úgy működnek, mint a beágyazott padló, vagy mennyezetfűtések. Az első változatban bármilyen hőmérsékletű levegőt nyerünk a légkollektorból, azt hasznosítani tudjuk. Ha a levegő hőmérséklete lényegesen meghaladja a helyiségét, akkor légfűtésre, ha azzal egyenlő, vagy alacsonyabb, akkor szellőztetésre.
A második változatban a levegő hőmérsékletének legalább 5°C-al meg kell haladnia a helyiség hőmérsékletét, hiszen szerkezeten keresztül fűtőhatást csak így várhatunk. Nagy előnyük viszont, hogy amikor működnek a szerkezetet "belülről" fűtve, azok hőtároló képességét jól kihasználják.
Egyes becslések szerint a szolár légfűtés a hagyományos fűtést 60-70%-ban pótolja ki roppant hatékonyan, az ingyenes, mindenki számára elérhető napenergia felhasználásával! Szinte egész évben használható (szeptembertől - decemberig, illetve februártól - májusig nagyon jó hatásfokkal működtethető, ezért úgy tartják, hogy a légkollektorokat elsősorban az átmeneti időszakban tudjuk hatékonyan kihasználni.)
Nem zavarja a hideg, csak a napsütésre "hangolódik” (december és januári mérések szerint, ha nem volt köd és sütött a Nap, a berendezés bekapcsolt és meleg levegőt fújt az épületbe)„ Az összegyűjtött napenergiát nem tartályokban tárolja, mint a vizes rendszerek, hanem a szoba bútorzatában, falaiban. Ezen a módon lényegesen nagyobb energia tárolható el (bár kevésbé időzíthetően), mint egy víztartályban.
A nyári meleget egy hőcserélő segítségével, melegvíz előállítására célszerű felhasználni.
Hátrányai: Ugyanakkora hőenergia elszállításához nagyobb térfogatú közeg szükséges. (vízből óránként n*100 litert, míg levegőből n*100 000 (!!!) litert kell átáramoltatni). A ventillátorok hangja egyeseket zavar. A folyamtos lég befuvás nagyon kavarja a port ezért allergiára hajlamosaknak nagyon előnytelen. Elsősorban fűteni tud használ melegvíz előaállítására nehezen használható.

Léteznek továbbá szolártermikus erőművek, ahol a legkorszerűbb technológiával dolgoznak. Itt gőzképződés játszódik le, amivel turbinákat hajtanak meg, így jutnak elektromos áramhoz. (A NAPENERGIA menüpont alatt még többet tudhat meg az aktív hasznosításról.) Passzív módszerek közé azok az építészeti megoldások tartoznak, melyek csökkentik vagy teljesen lenullázzák egy épület rezsiköltségét. Ilyen tényezők lehetnek pl: tájolás, hőszigetelés, nagy üvegfelületek alkalmazása (nem kell világítani), zöldtető kialakítása (hőszigetelés miatt fontos)... .

Másodlagos vagy közvetett úton a Nap energiája átalakult formában van jelen az erőforrásokban. A szél- és a vízenergia tartozik ide. Fontos azonban megemlíteni, hogy mindkét lehetőség megfelelő kiaknázásához jó földrajzi és éghajlati adottságok szükségesek, különben nem kifizetődő a beruházás és az üzemeltetés sem.

Lefedés nélküli, nem szelektív síkkollektor

Ezek a kollektorok általában UV sugárzásnak ellenálló, fekete színű, műanyag vagy gumi anyagú csőjáratos lemezből készülnek. A gumi anyagúakat szokás szolárszőnyegnek is nevezni. Ezeknél a kollektoroknál nem alkalmaznak dobozolást és lefedést. A lefedés hiánya miatt nincs reflexiós veszteség sem, ezért ezeknek a kollektoroknak a legmagasabb az optikai hatásfoka. Ugyanakkor a hőszigetelt doboz elmaradása miatt a kollektor és a környezet közötti hőmérsékletkülönbség növekedésével meredeken csökken a hatásfokuk, mivel nő a hőveszteségük.

A szolárszőnyeg egy hajlékony elemekből összeállított, napsugárzást elnyelő és hasznosító felület, egy rugalmas abszorber. Költségtakarékos megoldást jelent a nyári napenergia vízmelegítésre történő hasznosítása során. A napsugárzásból elnyelt energiával a kerti medencék vizét melegítő eszköz. A medence vízforgatójához kell csatlakoztatni. Folyadékos (víz) hőhordozóval működik, kis fajlagos tömege és könnyű szerelhetősége miatt bárhol elhelyezhető, és előnyösen alkalmazható házilagos kivitelezés esetén. Nincs sem üvegfedés, sem hőszigetelés. Előnye az egyszerűség és az ebből következő alacsony beruházási költség, de a hatásfok a hőmérséklet-különbség növekedésével meredeken csökken. Időszakos, nyáron használt rendszereknél alkalmazható. A szolárszőnyeg mérete tetszőleges, egyedi méretlehetőségei miatt bármilyen felületet, pl. tetőt szinte teljes felületen be lehet takarni szolárszőnyegekkel.

Nem szelektív síkkollektorok

A nem szelektív síkkollektor általában egyszeres üveg vagy polikarbonát lemez fedésű, nem szelektív elnyelőlemezzel rendelkező kollektor. Ilyen kollektort elsősorban az ún. “csináld magad” napkollektor építő műhelyekben készítenek. Ezeknek a kollektoroknak a szelektív kollektorokhoz képest alacsonyabb az optikai hatásfokuk, és az elnyelőlemez kisugárzása miatt nagyobb a hőveszteségük.

Nem szelektív sikkollektor

Szelektív síkkollektor

Szelektív síkkollektornak az előzőekben ismertetett, szelektív bevonatú abszorberrel, általában egyszeres üvegfedéssel készült kollektorokat nevezzük. Ma az egész világon az eladott napkollektorok döntő többsége (több mint 90%-a) szelektív síkkollektor. A szelektív síkkollektorok hőveszteségének jelentős részét a kollektorházban lévő levegő konvektív hőátadása okozza. Ez a veszteség megszüntethető, ha a kollektorok elnyelőlemezét olyan térbe helyezik, melyből a levegőt kiszivattyúzzák, vákuumot hoznak létre. Ekkor az általában alkalmazott kőzetgyapot hőszigetelés elmarad, a hőszigetelés maga a vákuum. Vákuummal lényegesen jobb hőszigetelés érhető el, mint a hagyományos szigetelőanyagokkal.

Szelektív sikkollektor

Vákuumos síkkollektorok

A vákuumos síkkollektor egyesíti a vákuumcsöves kollektorok alacsony hőveszteségét és a síkkollektorok magas optikai hatásfokát. Szerkezeti kialakítása hasonló a szelektív síkkollektorokhoz, de a kollektorház légmentesen zárt, és az üveg fedőlap behorpadás ellen távtartó tüskékkel van alátámasztva.

A vákuumos síkkollektorokban a vákuumot a kollektorok felszerelése után, a helyszínen hozzák létre. A kollektorok házán csatlakozó csonkok találhatók, melyeken keresztül vákuumszivattyúval kiszívható a levegő.

Üvegfedés

A vákuumos kollektorok legelterjedtebb típusa az ún. vákuumcsöves kollektor. Ezeknél a kollektoroknál az elnyelőlemezt üvegcsőbe helyezik, melyből a gyártás során kiszívják a levegőt. Újabban terjednek az olyan vákuumcsöves kollektorok, melyeknél az abszorbert a háztartási termoszokhoz hasonló, de átlátszó, kettős falú zsákcsőbe helyezik. Maga a vákuumcsöves napkollektor mindkét esetben több, egymás mellé helyezett vákuumcsőből áll.

A vákuumcsöves kollektorok előnye a jó hőszigetelés, de hátrányuk az, hogy a görbe üvegfelületnek a síkkollektorokhoz képest nagyobb a reflexiója, az érkező napsugárzás nagyobb részét veri vissza. Ezért a vákuumcsöves kollektoroknak alacsonyabb az optikai hatásfoka.

Fajtái:

Heat Pipe

U-csöves (+CPC)

Koaxiális csöves

ucsoves koaxalis

Fő előnyük, hogy gyengébb fényviszonyoknál és hidegebb időben is hatékonyan működik, akár 50 – 95°C-ra felmelegített vizet szolgáltatva.

Minden egyes vákuumcső két üvegcsőből áll. A külső cső igen erős bórszilikát üvegből készül, amely ellenáll akár a 25 mm-es jégverésnek is. A belső cső szintén bórszilikát vagy rézcső, de felületét teljes egészében bevonják egy speciális, szelektív anyaggal is, amely rendkívüli fény- és hőelnyelő képességgel rendelkezik. A visszaverődés erről a felületről minimális. A gyártás során a két üvegcső végeit összeforrasztják, a köztük lévő levegőt pedig kiszippantják, így keletkezik a két cső közt egy légüres tér, mely egy rendkívül nagy (P ≤ 0,005 Pa) vákuum.

Belső hátsó felén félkörben homorú ezüsttükör, vagy magas visszaverő képességű polírozott rozsdamentes acéllemez parabola koncentrátor található. Amennyiben egy cső meghibásodik, nem kell az egész rendszert leüríteni, kikapcsolni, hiszen minden egyes cső önálló, zárt körként működik. A hibás csövet egy mozdulattal kiemelhetjük a helyéről, és betehetjük az újat.

vakuumcso

Sík és vákuumcsöves kollektorok összehasonlítása

A kiemelkedően jó hőszigetelésű vákuumcsöves napkollektornak 15-20 %-kal magasabb lehet a hatásfoka a síkkollektorhoz viszonyítva.

delelott delben

Egy napkollektor megtérülése annál hamarabb következik be, minél magasabb a kihasznált órák száma. A megtérülés szempontjából optimális eset például a használati melegvíz előállítás, hiszen melegvízre egész évben szükség van.

Fűtésrásegítés esetén is magas kihasználtság érhető el, ha a napenergiában gazdag fűtési holtszezonban, azaz az átmeneti időszakokban használjuk a napkollektorokat. Nyári használatra gyakorlatilag mindegy, hogy sík- vagy vákuumcsöves kollektort választunk, viszont ha télen is megújuló energiával akarunk melegvízre szert tenni, meg kell válogatnunk a kollektort.

Nyári, erősen napos időszakban a vákuumcsöves és a síkkollektorok energiatermelésében nincs jelentős különbség. Eltérés főként ősszel és télen mutatkozik, vagy ha szórt a sugárzás, felhős az idő.

A mérleg ekkor a vákuumcsöves kollektorok javára billen, mivel ezek ilyen körülmények között, típustól és felülettől függően, 8 – 20 %-kal hatékonyabbak. Éves használatra tehát jobb a vákuumcsöves kollektor; nyári, szezonális célra pedig kiválóan megfelel a síkkollektor is. A vákuumcsöves napkollektorok esetében viszont nagyon oda kell figyelni a nyári hőelvételre! (erre méretezéskor még kitérünk).

A vákuumcsöves napkollektorok teljesítménye a különálló csövek együtteséből ered. A csövekben 200 – 300°C körül is lehet a hőmérséklet, míg a sima síkkollektoroknál ez az érték max. 150°C A vákuum megtartásához egy báriumgyűrűt használnak, mely elszíneződik, ha a vákuum megszűnik.

kollektordiagramm sikkollektordiagramm

Nyáron ez a hőszigetelő képesség azonban hátrányt is jelenthet, hiszen magasabb hőmérsékleten üzemel, ami jobban igénybe veszi az egész rendszert. Pl.: A tömítőgyűrű egy idő után a kitett hősokk miatt elfárad… A vákuum elvesztésével a hatásfok pedig minimálisra csökken! Vákuumcsöves napkollektort általában akkor javaslunk, ha folyamatosan nagyobb hőigény kiszolgálása a cél (pl.:közintézmények), vagy kifejezetten a téli fűtésre történő rásegítésre van igény, illetve egy nagyobb medencét is fűteni kell.

Heat-pipe elv

A tisztán üveg csövek két koncentrikus üvegcsőből állnak, amelyek egyik végükön össze vannak forrasztva, így a „vákuumvesztés” kizárt. A belső cső külső felülete elnyelő réteggel kezelt, amely nem sugározza vissza a befogadott hőt. A levegőt a két cső közül kiszívják, ezáltal ott kiválóan szigetelő vákuum keletkezik. Ezek a kollektor csövek kiválóan teljesítenek felhős vagy hideg napokon is. A csövek nagy hatékonyságú hővezetővel (heat-pipe) készülnek.

heatpipecso heatpipecsobelso

A dupla falú üveg cső belsejébe szerelt hő-termelő egység a „Heat pipe”, azaz hő-cső.

hocso

A heatpipe belsejében egy speciálisan alacsony forráspontú folyadék található. Ez az alacsony hőmérsékleten párolgó töltet a hő hatására felforr, gőzzé változik és felszáll a heatpipe felső részében találhat kondenzátor részbe. Ezt a kondenzátor részt nevezik hőpatronnak. A hőpatronba felszálló gőz felmelegíti a hőpatront kívülről körülvevő munkafolyadékot, majd a gőz (ahogy átadta hőjét) lecsapódik és visszafolyik a heatpipe alsó részében, ahol a hő hatására ismét gőzzé változik, felszáll és leadja hőjét, miközben ő maga kondenzáció során ismét folyadékká változik. Ezzel a körfolyamattal tudjuk a hőpatront kívülről körülvevő munkafolyadékot felmelegíteni.

hopatron

A hosszú cső végén a kondenzátor található, ezzel a bucival csatlakozik a heatpipe a gyűjtőcső hüvelyébe, amit körülölel a hűvösebb hőszállító folyadék. Azért kondenzátor, mert itt csapódik le a gőz halmazállapotú fel-le rohangáló víz.

Az igen alacsony nyomásnak köszönhetően a víz forráspontja 25°C körüli. Ez a körfolyamat igen gyorsan, mintegy 10000-szer gyorsabban szállítja el a vákuumcsőben keletkező hőt a gyűjtőbe, a kollektorfejbe. Amikor az összes víz gőzzé alakult, leáll a folyamat, azaz önszabályozó módon határolja a maximális hőmérsékletet.

U-csöves vákuumcsöves kollektorok

ucsoves

A vákuumcső belsejében egy réz cső van "U" alakban meghajtva, melyben hőhordozó közeg áramlik a hőgyűjtősín felé. Egyszerű kialakítása révén, megbízható és tartós működést biztosít. Az "U" cső belsejében keringetett hőhordozó közeg (víz+fagyálló) segítségével szállítjuk a hőt a melegvíztartály hőcserélője felé. Ezt az "U" alakú csövet körbe veszik egy alumínium hőközvetítő lemezzel, ami a vákuumcső belsejéből adja át a meleget.

Megfelelő áramlási sebesség megválasztásával az üzemi hőfok (réz "U" cső hőmérséklete) dinamikusan változtatható. Az "U" csöves vákuumcsöves napkollektorok a magas üzemi nyomást és hőmérsékletet könnyedén elviselik, míg a hőcsöves (Heat Pipe) társaik az alacsony forráspont miatt már alacsonyabb hőmérsékleten elszíneződhetnek, illetve kilyukadhatnak.

upipe

U-csöves+CPC tükör vákuumcsöves kollektorok

cpctukor

A vákuumcsöves napkollektorok több vákuumcsőből épülnek fel, így az egyes csövek között kisebb-nagyobb távolság van. Ezért az ilyen kollektoroknak általában rosszabb a bruttó- (hasznos-) felület kihasználtságuk, mint a síkkollektoroknak. Növelhető a kihasználtság, ha a kör alakú abszorberekkel szerelt vákuumcsövek mögé a napsugárzást visszaverő, kettős parabolikus tükröző lemezt helyeznek. Az ilyen reflektorokat nevezik CPC-nek. CPC („Compound Parabolic Concentrator”) (kettős) parabolatükör fókusz-pontjában helyezték el a vákuumcsöveket , így az abszorber felületet nemcsak direkt, hanem a tükörről visszaverődő diffúz sugárzás is éri.

visszaverodes tukorvisszaverodes

A CPC reflektor hátránya, hogy idővel elkoszolódik, így hatékonysága romlik… Megoldás → vákuumcsövön belüli reflektor-bevonat!

hmv

Kétkörös rendszereknél az alábbiakra fontos figyelni: a napkollektorokban nagyon magas hőmérséklet állhat elő, ezért a hőhordozó közeg felforrását csak úgy lehet elkerülni, ha a rendszert viszonylag magas, 4-5 bar üzemi nyomásra töltik fel. A nyomás emelésével ugyanis a forráspont is növekszik. Ezért nem a fűtési rendszerekre jellemző 2,5 bar, hanem 6 bar nyitónyomású biztonsági szelepet kell beépíteni. Ez viszont természetesen azt is jelenti, hogy valamennyi rendszerelemnek bírnia kell a 6 bar nyomást. A nyomás kiegyenlítést a tágulási tartály végzi.

hmvfutes melegviz

Fontos megjegyezni, hogy a felhasználás szerint kétféle tárolót alkalmaznak:

1.

HMV rendszernél: használati-melegvíz tárolót (bojler)

2.

Fűtés rásegítésnél: puffertartályt, ami lehet fűtési puffertároló (egyszerű), átfolyós vagy kombipuffer

Mindkét rendszernél a tároló lehet ezen felül: belső vagy külső hőcserélős, illetve alkalmazhatnak benne egyéb plusz „fűtésrásegítést” pl : elektromos fűtőszálat, vagy rásegítő gázkazános hőcserélőt. A két fő tároló típus árban nagyon eltér!

szivattyusnapkollektor

1. Napkollektorok

2. 2-csőkígyós függőleges tároló

3. Napkollektor-tárolóköri hőcserélő

4. Napkollektorköri tágulási tartály

5. Napkollektor-köri töltő-ürítő csap

6. Napkollektor-köri biztonsági szelep (2,5 bar)

7. Napkollektor-köri keringető szivattyú

8. Légtelenítő szelep

9. Használati melegvíz (HMV)

10. Hidegvíz hálózat

11. Nyomáscsökkentő szelep (javasolt 5 bar)

12. Egyirányú szelep

13. Tágulási tartály és biztonsági szelep (6 bar)

14. Napkollektor vezérlő egység

15. Tároló hőmérő

16. Tárolótartály hőmérséklet-érzékelő

17. Napkollektor hőmérséklet-érzékelő

18. Fali-, vagy állókazán

19. Fűtési hálózat

20. Fűtésköri keringető szivattyú

21. Tároló-fűtésköri keringető szivattyú

22. Kazánszabályozó tároló érzékelő

23. Tároló-fűtésköri tágulási tartály és biztonsági szelep

24. Tároló kazán-köri hőcserélő

hmvhalozat

Drain-back napkollektor

A drainback (visszatáplálható) típusú napkollektor rendszerek elsősorban abban különböznek a hagyományos zárt körű megoldásoktól, hogy a hőátadó folyadék nem kell fagyálló legyen, a hőközlő folyadék közönséges víz. A víz töltetet vegyileg kezelni szükséges, de árban, ráfordított energiában és karbantartási igényben messze nem éri el a fagyállóval működtetett rendszerek szintjét. A hagyományos zárt rendszerekben, valamint a világon elterjedt drainback rendszerekben is a primer körben helyezkedik el az a hőcserélő, amely a használati vizet felmelegíti. A napkollektor által megtermelt hőt ezen a hőcserélőn keresztül vezetjük be abba a tartályba, amelyben magát a használati meleg vizet tároljuk.

drainback

A Drain-back rendszer lényege, hogy a napkollektor és a födém feletti csőszakasz alapesetben üres. A nyugalmi vízszint a közlekedőedények elve alapján a födém alatt fagymentes helyen elhelyezett tartály tetejénél van. Nincs felforrás vagy elfagyás veszélye.

drainbackkapcsolas

Egy magyar fejlesztésű drainback rendszer azonban ennél is tovább lépett: a primer és szekunder kör szerepét egybeépítve. A tartályban a hőtároló folyadék található, míg a használati melegvíz a fogyasztás során a szekunder köri hőcserélőben melegszik fel. Ez a változás azt eredményezi, hogy nincs pangó melegvíz a használati oldalon, ami egészségkárosító hatást fejthetne ki. Higiéniai és számos más szempontból is előnyösebb megoldás a hőtároló tartályban elhelyezkedő hőcserélő spirálon átvezetni a felhasználni kívánt vizet.

A primer körben a napkollektor és a tartály nyitott, így nincs nyomás alatt a rendszer egyik eleme sem. Ebből következően nem szükséges a hőtágulás miatt kiegyenlítő tartályt sem beépíteni, mint a hagyományos zárt rendszerek esetében ez szokás. A hőtároló tartály egyszerre szolgál a melegvíz tárolására, a hőtágulás kiegyenlítésére, valamint a vezetékből visszafolyt hőközlő folyadékmennyiség fogadására.

Napkollektor hatásfoka

A napkollektorok hatásfokát az alábbi, nemzetközi szabványok által elfogadott összefüggés szerint szokás megadni:

η=η0-a1* ΔT /G- a2 *( ΔT)2/G

ahol:

η: a kollektor hatásfoka,

η0: a kollektor optikai hatásfoka,

a1: az elsőfokú hőveszteségi együttható,

a2: a másodfokú hőveszteségi együttható,

ΔT: hőmérséklet különbség ΔT = (tkoll - tlev)

tkoll: kollektor közepes hőmérséklete tkoll= (tki + tbe)/2,

tki: a kollektorból kilépő közeg hőmérséklete,

tbe: a kollektorba belépő közeg hőmérséklete,

tlev: a környezeti levegő hőmérséklete,

G: a kollektor felületére érkező globális napsugárzás.

Napkollektor rendszer méretezése

A napkollektoros rendszerek méretezésének célja meghatározni, hogy mekkora az optimális rendszer, és milyen részarányban tudja fedezni az adott feladathoz tartozó hősszükségletet. A napkollektorok által fedezett hőigény és a teljes szükséges hőigény hányadosát szoláris részaránynak nevezzük.

Szoláris részarány = Napkollektorokkal hasznosított hőmennyiség / Teljes hőigény.

A napkollektoros rendszerek másik fontos jellemzője a rendszerhatásfok, ami a napkollektoros rendszerrel hasznosított és a napkollektorok felületére érkező napsugárzás aránya.

Rendszerhatásfok = Napkollektorokkal hasznosított napsugárzás / Napkollektorok felületére érkezőhasznosítható hőmennyiség.

szolarisarany

Az alacsony szoláris részarányú rendszerek magas rendszerhatásfokkal működnek, magas szoláris részarányt viszont általában csak alacsony rendszerhatásfokkal lehet elérni. Kisebb használati-melegvíz készítő rendszereknél, családi házak esetében, nagy valószínűséggel elérhető az 50 – 70%-os hatásfok. Nagyobb rendszereknél inkább alacsonyabb, 20 – 50 % körüli érték a célszerű, a megtakarítás ekkor is jelentős.

reszarany

Általános HMV irányszámok:
Személyenként átlagosan 50 liter/fő HMV fogyasztást szoktak alapul venni háztartások esetén. Magyarország meteorológiai adottságai mellett csak napkollektorokkal általában nem állítható elő a különböző felhasználási területek egész éves hőigénye. Ezért a napkollektoros rendszerek többnyire párhuzamosan működnek hagyományos energia-hordozójú hőtermelőkkel.

Tetősík:
Déli tájolású, ideális dőlésszög 35 és 40° között van, ha egész éves időszakban gondolkodunk. (A tető dőlésszöge meghatározza, hogy a téli időszakban fog-e egyáltalán rásegíteni a rendszer a hagyományos üzemre.) Minimum egy 2x2 vagy egy 2x3 méteres egybefüggő terület, mely egész évben takarásmentes

A kollektoros rendszer túlméretezésének következményei:
Gyakran előáll üresjárat, ezáltal megnő a kollektorok magas hőmérsékletű üzemideje, ez pedig meghibásodásokat okozhat és csökkenti a rendszer élettartamát. A napkollektoros rendszer szükségtelenül drága lesz. Alacsony lesz a napkollektorok éves hatásfoka.

tervezes

Magyarország napenergiára vonatkozó jellemzői számokban:

Évi átlagos besugárzás 1250 kWh/m2 év.

Az ország területére ez 116375 TWh ill. 419 EJ/ év.

Ez több mint 2900- szerese az éves villamosenergia felhasználásnak ill. kb. 350-szerese az ország primer energia felhasználásának.

Nagy magvalósult példák:

TESCO Budaörs:
A több mint ezer négyzetméteres napkollektoros rendszer által termelt hőt fűtésre és hűtésre is hasznosítják 1030 négyzetméteres napkollektor rendszer - 2009.

napelemek

2009: Óbudai „faluház” (öko-panel)
10 emeletes paneles épület:
315 m hosszú
15 lépcsőház
43.500 m2
886 lakás, 900 család, ≈ 3000 lakó

1500 m2 napkollektor a tetőn,
2 x 50 m3 puffertartály a földszinti hőközpontban.
1128 MWh / év
A kollektorok száma: 125 db
A kollektorok felülete: 1515 m²
A puffertartályok mérete: 100 m³
A kollektorok által évente megtermelt energia: 1128 MWh
A CO2 emissziós kibocsátás csökkenés: 243 tonna

okopanel

Energia-megtakarítás: 45-55%

Napelemek

nagynapelem

A napelem (fotovoltaikus; fotovillamos elem PV ) egy félvezető anyagokból készült eszköz, gyakorlatilag egy dióda, két különböző tulajdonságú félvezető réteg összekapcsolt egysége, amely a fénysugárzás hatására elektromos áramot állít elő. A fénysugárzás által gerjeszti a töltéseket: a becsapodó foton energiájának hatására egy elektron kilép a vegyérték sávból, a szabad töltések kimozdulnak a helyükről, és az elektromos tér által meghatározott irányba mozognak, vagyis elektromos áram jön létre. A jelenség bármilyen megfelelő fényspektrumu fény esetén lezajlik, nem feltétlenül szükséges napfénynek lennie. A félvezetők alapanyaga legtöbbször szilícium, de lehet gallium-arzenid (GaAs), kadmium tellurid (CdTe), vagy réz-indium-diszelenid (CuInSe2).

(akit mélyebben nem érdekel a működési elve nyugodtan ugorja át az alább bekezdést)

Szilícium alapú félvezetők:
A szilíciumatom külső elektronhéján négy vegyérték-elektron található. Ez a héj nyolc elektronnal lehet zárt, tehát még négy elektronnal kell feltölteni. A szilícium kristályrácsában a Si-atom négy szomszédjával közös elektronpárok alkotta kovalens kötésekkel kapcsolódik. Ha a szilícium kristályrácsába kevés foszfor-szennyezés kerül, a foszfor-atom beépül a szilíciumrácsba, de a külső elektronhéján lévő öt elektronja közül csak négy képez kovalens kötést a szomszédos szilíciumatomokkal, egy elektronja felesleges lesz, nincs rá szükség a kristályrácsot összetartó kovalens kötések kialakításához. Ez a többlet-elektron szabadon mozog a szilíciumrácsban, a fémek szabad elektronjaihoz hasonlóan. A foszforral szennyezett szilíciumrácsban tehát könnyen mozgó többlet-elektronok vannak, emiatt ún. negatív típusú, n-típusú félvezető keletkezik. A szennyezett szilíciumrács ugyanakkor kifelé elektromosan semleges, hiszen a foszfor protonjainak száma is nagyobb eggyel, mint a szilíciumé.

szilicium_napelem hit_napelem

A bór, mint szennyező anyag, más jelleggel változtatja meg a szilíciumrács tulajdonságait. A bóratomnak három vegyérték-elektronja van, a szilíciumrácsba beépülve három szomszédjával alkot kovalens kötést létesítő közös elektronpárt. A negyedik kötés hiányos, abból egy elektron hiányzik, annak helyén egy "lyuk" van. A bórral szennyezett szilíciumrács elektronhiányos, "pozitív", p-típusú félvezető. Elektromosan a p-típusú félvezető is semleges, hiszen a bór kevesebb elektronjához kevesebb proton is tartozik.

sziliciumracs

Két különböző (n és p) típusú félvezető réteget egymásra helyezve különleges átmeneti réteg alakul ki a határfelület két oldalán. Az n -típusú félvezetőben a határfelület közvetlen közelében lévő gyengén kötött szabad elektronokat a p-oldali bóratomok jobb elektronvonzó tulajdonsága a p -rétegbe vonzza, ahol azok a bóratomok és a szilíciumatomok közötti tökéletlen, elektronhiányos kötésekbe beépülnek, a "lyukakat" kitöltve erős, szabályos kovalens kötéseket hoznak létre. A két félvezető átmeneti rétege így elektromosan már nem semleges. Az n -típusú félvezető, elektronjainak egy részét elveszítette, tehát pozitív töltésűvé válik. A p -típusú félvezetőben a lyukak feltöltésével viszont többségbe kerültek a negatív töltések. Az átmeneti rétegben kialakuló töltésmegoszlás sztatikus elektromos mezőt kelt, s ez az elektronok mozgását idézi elő.

Amikor egy beeső foton energiát közöl egy vegyérték sávban tartózkodó elektronnal, az a vezetési sávba kerül és maga mögött hagy egy lyukat a vegyérték sávban. Így a foton két töltéshordozót kelt: egy elektron-lyuk párt. A két félvezető érintkezési felületének közelében lévő átmeneti réteg elektromos mezejének hatására az elektronok az n -rétegbe, míg a p lyukak a rétegbe tartanak.

napelem_abra

Az elektron helyén keletkezett lyuk pozitív töltéshordozó, hiszen az elektronjától megszabadított szilíciumatom pozitív ionná válik. Az ion természetesen a kristályrács azonos pontjában marad, illetve azonos pontja körül végzi a hőmérséklettől függő rezgőmozgást. A lyuk mozgása a p rétegben fiktív mozgás. Ugyanis a p rétegben az n irányba igyekvő szomszéd elektron beépül a lyukba, s a határtól egy rácsponttal távolabb jelenik meg a lyuk. Tehát az elektronhiányos állapot terjed a p -félvezető réteg túlsó irányában. Hasonló a helyzet egy bedugult utcában várakozó kocsisor esetén. Ha az egyik vezető autójával bekanyarodik egy mellékutcába egérutat keresve, a helyén egy autónyi üres hely marad. Ebbe "belearaszol" a következő kocsi 4-5 m-t haladva s ennek a helyén marad lyuk. Ide a következő kocsi lép előre, s már három autónyi hosszal "mozgott" a lyuk hátrafelé, az autók mozgásával ellentétes irányban, s a jelenség így folytatódik.

Bár az ellentétes töltések vonzzák egymást, legtöbbjük csak a cellára kapcsolt külső áramkörön keresztülhaladva tud újra semleges atommá egyesülni az érintkező felület mentén kialakuló elektromos mező belső potenciálja, mint energiagát miatt.

A fotovillamos cella tehát egy félvezető dióda, amely egy n - és egy p -típusú félvezető réteg összeépítésével jön létre. Felső felületét vezető-érintkezők hálózata részlegesen takarja: fedetlen felületére esik be a napsugárzás. Alulról vezető fémlemezre épül a cella. A felső vezető érintkezőt külső áramkörön keresztül kötjük az alsó fém alaplemezhez.

fotovillamos cella

A villamos áram, mint az ismeretes, negatív töltésű részecskék, az elektronok árama. Az atom vegyérték-héján lévő elektronokat energiaközléssel (pl. egy foton beesésével) lehet kiszabadítani: megfelelő energiájú foton elnyelésével az elektron a vegyérték-sávból a vezetési sávba kerül. A napsugárzásnak kitett cellába becsapódó foton egy elektron-lyuk párt kelt. Ezeket a félvezető szétválasztja: az elektronok az n -típusú, a lyukak a p -típusú tartomány felé mozognak. A külső áramkörön keresztül az elektronok a p -rétegbe jutnak vissza.

A szilícium celláknak három fő típusa van

Amorf vagy vékony réteg.

Polikristályos.

Monokristályos.

Amorf vagy vékony réteg napelemek

Az amorf szilíciumból készült napelemek üveg (nátron), vagy bármilyen más hordozó felületen lerakódó szilícium-rétege elektrokémiailag elbontott gázhalmazállapotú szilánból (SiH4) válik ki. Csak nagyon vékony réteg (néhány μm) félvezető anyag kell hozzá, a hordozóanyag általában nagyon olcsó, pl. (nátron) üveg. Különböző rétegek egymást követő kristályosításával hozzák létre a határréteget, Különböző anyagok kombinációjából felépített elem vagy modul sokkal többet tud abszorbeálni a fény szélesebb spektrumából, mint egy egyszerű elem (minden félvezető anyag egyedi abszorpciós sávval jellemezhető, ezek kombinációja növeli az összesen hasznosítható spektrumot) (pl.: kékre, zöldre, pirosra érzékeny elemi rétegek kombinálása) Előnye, hogy nagy felületű félvezető réteget lehet kristályosítani egyidejűleg, a technológia során (elválasztás – kristályosítás) kis egyedi elemeket (cellák) alakítanak ki, melyeket szabadon variálva többféle villamos paraméterű modult lehet kialakítani.

Az amorf szilíciumban az atomok nem rendeződnek szabályos kristályráccsá, nem minden atom alakít ki kötést szomszédaival. Maradnak felhasználatlan ún. "lengő kötések", ezek abszorbeálhatják a fölöslegben lévő elektronokat, lerontva az érintkező p-n felület hatását. Az amorf szilícium gyártása során ez a probléma elkerülhető azáltal, hogy a szilánból származó hidrogénatomok lekötik a lengő kötéseket egy szilícium-hidrogén ötvözetet alkotva. A szennyező bór szintén gázfázisban van jelen a rendszerben a gyártás során, hatása ugyanaz, mint a kristályrácsot alkotó szilícium esetén.

redukacio_oxidacio_abra

Az amorf szilícium cellák némileg eltérő kialakításúak, mint a poli- vagy az egykristályból készültek. A 4 felső üvegrétegre egy különlegesen vékony szilíciumoxid-réteg közvetítésével átlátszó villamos vezető ónoxid (SnO) réteget visznek fel, ez az egyik villamos érintkező. Egy nagyon vékony p -típusú és az n -típusú félvezető közé egy vastagabb szennyezetlen közbenső amorf szilíciumréteg kerül. Az alsó érintkező felület alumínium. A cella lényegében úgy működik, mint a kristályos szilíciumból készült, de az amorf szilíciumban az elektronnak a vegyértékhéjról történő kiszabadításához szükséges kritikus energia-érték szélesebb sávba esik.

retegek

Az amorf szilíciumból készült cella legnagyobb előnye az olcsóság. Fényelnyelő képessége sokkal jobb, mint a kristályos szilícium celláé. Sokkal vékonyabb, kevesebb az anyagszükséglete. Sokkal kisebb hőmérsékleten állítható elő, kevesebb energiaráfordítást igényel. Folyamatos üzemben elég nagy felületű cellák állíthatók elő, bármilyen hordozó rétegen.

szilicium_cella

Ezzel szemben gyengébb hatásfokú, mint a kristályos szilícium-cella, legfeljebb 12%. Másik nagy hátránya, hogy az üzemidővel arányosan csökken a hatásfok: néhány hónap alatt átlagosan 6-7%-ról mintegy 4%-ra.

Monokristályos napelem

monokristalyos_napelem

A szilícium-egykristályt megolvadt szilíciumból az ún. Czochralski-eljárással állítják elő. Igen lassan emelik ki az 1400 °C-os olvadékból a kör-, vagy sokszög-keresztmetszetű, 4-5 m-es hosszúságúra "növesztett" egykristály-hasábokat. Ebből gyémánt vágószerszámmal szeletelik a 0,2-0,4 mm vastagságú rétegeket, majd a foszforral és bórral történő szennyezés után a jobb érintkezés érdekében polírozzák az illeszkedő felületeket, visszaverődés-csökkentő réteggel látják el a napfénynek kitett oldalt s az érintkezők kialakítása után kész a fotovillamos cella. Az egyes fotovillamos cellákból 32-36 elemet tartalmazó modulok készülnek. Ez lassú, jólképzett munkaerőt kívánó, munka- és energiaigényes folyamat, ezért meglehetősen drága. Igaz, hogy így elektronikus célra is kiváló minőségű félvezető-diódát kapunk.

A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napelemek esetében). Legnagyobb teljesítményét merőlegesen beeső napfénynél képes leadni, így gyakran használják ún. napkövető berendezések részeként.Jellegzetes fekete színéről felismerhető.

Polikristályos napelem

polikristalyos_napelem

A polikristályos napelem kevésbé tökéletes kristályszerkezetű, de alig rosszabb hatásfokú öntött, polikristályos anyagú szilíciumot használnak. Az öntött tömbből fűrészelt lemezek sokkal olcsóbbak. Az így kapott lemezeket ónszalaggal forrasztják össze, majd többrétegű védőburkolatba helyezik. Hatásfokuk 13-16% körül van. A gyengébb (reggeli, esti, szórt) fényt is viszonylag jó hatásfokkal képes hasznosítani. Általában kékes színűek.

Napelemek tájolása

A napelemeket ideális esetben déli tájolású tetőfelületre érdemes telepíteni, Magyarországon fix 43-47 fokra.

napelem_tajolas

Azért érdemes így szerelni mert ebből az irányból éri a legagyobb “benapozás”. Persze minden tető más, ezért nem mindig lehet az ideális tájolással és szögben szerelni. dél-keleti, dél-nyugati, esetleg keleti - nyugati felületekre is megérheti a telepítés, ha nincs más alternatíva.

tajolas_nyereseg

Az ábrákból jól látszik, hogy milyen tájolásnál milyen veszteségekkel kell számolni.

veszteses_tajolas.jpg

Léteznek továbbá szolártermikus erőművek, ahol a legkorszerűbb technológiával dolgoznak. Itt gőzképződés játszódik le, amivel turbinákat hajtanak meg, így jutnak elektromos áramhoz.(A NAPENERGIA menüpont alatt még többet tudhat meg az aktív hasznosításról.)Passzív módszerek közé azok az építészeti megoldások tartoznak, melyek csökkentik vagy teljesen lenullázzák egy épület rezsiköltségét. Ilyen tényezők lehetnek pl: tájolás, hőszigetelés, nagy üvegfelületek alkalmazása (nem kell világítani), zöldtető kialakítása (hőszigetelés miatt fontos)... .

Másodlagos vagy közvetett úton a Nap energiája átalakult formában van jelen az erőforrásokban. A szél- és a vízenergia tartozik ide.Fontos azonban megemlíteni, hogy mindkét lehetőség megfelelő kiaknázásához jó földrajzi és éghajlati adottságok szükségesek, különben nem kifizetődő a beruházás és az üzemeltetés sem.

SZÉLENERGIA

Mi a szél?

A levegő megközelítőleg horizontális mozgása, amit a földfelszínen létrejövő hőmérséklet- és nyomáskülönbségek okoznak. A szél mindig a magasabb hőmérsékleti pont felől az alacsonyabb (hidegebb) felé fúj.

Hajtóereje tehát a hőmérséklet- és nyomáskülönbség. A trópusokon a légtömegek felmelegszenek, így a levegő felemelkedik és a sarkok felé kezd áramlani, ezeket nevezzük antipasszát szeleknek. A pólusok felé haladva a levegő lehűl, nyomása megnövekszik, így elkezd lesüllyedni, végül a földfelszín közelében visszaáramlik a trópusok közelébe, ezeket passzát szeleknek nevezzük. A trópusokon a levegő felemelkedése miatt vákuum keletkezik, ami miatt lehetséges a Földi légkörzés kialakulása is, azaz motorja a sarkok felől érkező passzát szelek visszaáramlásának is. Ezt a légkörzést azonban befolyásolja a Föld forgásából adódó Coriolis-erő, mely kitéríti a széltömegeket a forgó mozgás miatt, így alakulhattak ki a Földi légkörzések (ezek közül ismertebbek: Bora, Főn, Sirokkó...stb). A Coriolis-erő a Sarkokon a legerősebb, az egyenlítőn egyáltalán nem érvényesül hatása. Időjárási jelenségeink a felszíntől számított 11 km-es magasságig (troposzféra) figyelhetőek meg, melyek közvetlenül hatással vannak ránk. Geosztrófikus szeleknek nevezzük azokat az 1000 m feletti légmozgásokat, melyeket a hőmérséklet- és nyomáskülönbségek mozgatnak. Ezek csak kis mértékben befolyásoltak a felszín érdességétől és a domborzati viszonyoktól, azonban energetikai hasznosításra csak a felszín felett található kb. 150-200 m magasságig terjedő légrétegek mozgásai alkalmasak.
A szél tulajdonságait befolyásoló tényezők a hasznosításra alkalmas tartományban (földfelszíntől kb. 150-200 m-re): természetes akadályok = domborzati viszonyok, és a mesterséges akadályok = építmények.
Ahhoz, hogy a szélturbina telepítése gazdaságos legyen, minimum 4-5 m/s éves átlagú területre kell tervezni azt.
Leszögezhető továbbá az is, hogy csak az állandó jellegű szelek használhatóak megfelelően számottevő energiatermelésre. Ezért jó döntés egy tengerparti sávra vagy a tengerekbe, óceánokba telepíteni ilyen berendezéseket, mert a víz és a szárazföld eltérő felmelegedése miatt folyamatosan van szél (pl: monszun Dél-Kelet Ázsiában). Jó természeti adottság továbbá szélenergia szempontjából a hegy-völgyes domborzat, ugyanis itt is nagy hőmérséklet- és nyomáskülönbségek adódnak (Ausztriában és Németországban is ezért ennyire elterjedtek a szélturbinák).

Magyarországon az átlagos szélsebesség 1,8 m/s körül mozog és még Mosonmagyaróvár környékén is csak 4-5 km/h körül alakul ez az érték, így hazánkban nem érdemes a szélenergia hasznosítása, kivéve az osztrák határvonalat, esetleg az Alpokaljánál is szóba jöhet ez a megújuló energiaforrás.

A szél energiasűrűsége viszonylag kicsi kb: 40-60 W/m2 (a napsugárzásé 1360W/m2!) Potenciális szél: az a szél, amely mentes a környezet érdességének hatásától, így összehasonlíthatóvá válik két terület.

A szélből származó energia nyerése a következőképp alakul: a turbinákat meghajtja a szél, azáltal a forgó mozgás következtében villamosenergia keletkezik. Az energia mennyisége függ a levegő sűrűségétől, a rotor által súrolt felülettől és a szél sebességétől. A fejlesztések során a lapáthossz és az oszlopmagasság növelése a cél, azonban ennek számos akadálya van (szerkezeti, szilárdsági korlátok, gazdaságossági határok).

A gyakorlatban kb. a teljes szélenergia mintegy 20-35%át vagyunk képesek hasznosítani a turbina hatásfokát és a lapátok, generátorok hatásfokát figyelembe véve.

Már őseink is hasznosították a szél energiáját a szélmalmok segítségével, így tudták megőrölni gabonáikat. Ezzel mechanikai energiát állítottak elő, azonban manapság inkább a villamos energia termelésre törekszünk, mely történhet szélturbina, szélgenerátos, szélerőmű segítségével. Itt is van lehetőség a sziget üzemű és a hálózatra való táplálásra is, azonban mégis az optimális alkalmazási területe a szélturbinának a használati melegvíz előállítás és a fűtésrásegítés (háztartásokban).
Vízkiemelésre és öntözésre is használható a szél energiája, melyet a mezőgazdaságban aknáznak ki a leginkább (Texas típusú szélkerekek).

VÍZENERGIA

A víz állandó körforgásban van a Földön, melynek hajtóereje a Nap: A párolgás hatására a légáramlatok segítségével képes a víz nagy távolságokat is megtenni. Cél, hogy a lefolyásra kerülő vízenergiát hasznosítsuk, az állóvizekben (ahol ennek jelentősége van) az ár-apály mozgást kell kihasználnunk. (Az állóviznek csak helyzeti és nyomási, míg az áramló víznek mozgási energiája is van.) Evaporációnak nevezzük a szabad felszínekről történő párolgást, transzspirációnak a növények párologtatását, míg evapotranszspirációnak a kettő együttes párolgását/párologtatását.

Műszaki szempontból megkülönböztetjük a tengeri és a folyóvizi vízerőműveket. Tengerek erőművei lehetnek árapály erőművek, hullámenergia erőművek és tengeráramlat erőművek, míg folyóvizek erőműve a folyami erőművek.

Magyarországon is tervezett Bős-Nagymarosi vízlépcső is folyami vízerőmű lett volna, azonban környezetvédelmi okokból leállították az építést.
Ezen folyami erőművek elve, hogy a vizet felduzzasztják zsiliprendszer segítségével, majd áteresztik egy szűk keresztmetszetű turbinán, így a víz mozgási energiáját villamos áram termelésre fordítják. A zsiliprendszer segítségével alacsony vízállású időszakokban is lehetséges az energiatermelés, az élővilág számára külön hallépcsőt vagy halliftet terveznek, így lehetséges az átjárás az alacsonyabb és a magasabb vízlépcső között. Árvízvédelmi szempontból sem rossz megoldás a zsiliprendszer, ha a zsilip felett megfelelő méretű ártér van, az áradást igen jól lehet kezelni, a károkat mérsékelni lehet vagy akár teljesen el is lehet kerülni őket.
Magyarországon ma jelenleg törpe vizierőművek üzemelnek. Ilyen erőművek a kiskörei, tiszalöki, ikervári, körmendi, békészsentandrási, stb. erőművek.

INNOVÁCIÓ

Legújabb kutatási irányok a napelem fejlesztésben:

- átlátszó - üvegszerű - napelem, melyeket az épületek és a járművek ablakaiba építenének. Az átlátszóság akár elérheti a 70%-ot.
- mindennapi életben: karórák, számológépek, köztéri világítás, közterek elektromos berendezései (pl. parkoló órák elektromos energiával való ellátására napelem alkalmazása).

Megvalósult példák:

München - BMW székház

Münchenben található BMW székház

NASA Helios kísérleti solar repülőgépe Hawaii térségében

NASA kísérleti solar repülőgépe

MOL benzinkút

Újbudai Önkormányzat

KÖRNYEZETTUDATOSSÁG

villany lekapcsolása

háztartási gépek kikapcsolása, esetleg hálózatból való kihúzás

fényforrások lecserélése (LED izzókra) energiatakarékos izzókra

temperálás, azaz folyamatosan egy adott hőfokon való fűtés

szigetelés

ablakcsere

esővíz gyűjtése

kútvízről történő mosás, fürdés, wc öblítés