full screen background image

Napenergia

A Napból származó energia elektromágneses hullámok - látható fény tartománya, infravörös és ultraibolya sugárzás - formájában érkezik a Földre.

Elemi egysége ennek az energiának a foton, melynek tömege nincs, vákuumban állandó (konstans) sebességgel halad (ezt nevezzük fénysebességnek), és bármilyen anyag jelenlétében lelassul illetve elnyelődik (ez függ az anyag tulajdonságaitól).

A Nap magjában fúzió játszódik le, azaz két hidrogén (H) atom, egy deutérium (2 neutronnal rendelkező H atom) és egy trícium (3 neutronnal rendelkező H atom) egyesül, így hélium (He) és egy szabad neutron keletkezik, a reakció melléktermékeként energia szabadul fel. Jelenleg a Napban másodpercenként (!) 600 millió tonna hidrogén ég el és ezzel párhuzamosan 596 millió tonna hélium keletkezik. A különbség, azaz 4 millió tonna anyag teljes egészében energiává alakul át, amely kb. egymilliószorosa annak az energiamennyiségnek, amelyet a világ egy év alatt felhasznál!

A napsugárzást kétféleképpen tudjuk energiatermelés szempontjából hasznosítani: közvetlen vagy közvetett formában.

Közvetlen formában megkülönböztetünk aktív és passzív hasznosítást. Az aktív hasznosításnak két módja létezik:

fotoelektromos eljárás, a fényenergia hasznosítása, vagyis napelemekkel való villamosenergia termelés és

fototermikus eljárás, a hőenergia hasznosítása, azaz napkollektorokkal melegvíz előállítása.

Az energia átalakítás módját tekintve három módszert tudunk megkülönböztetni:

napelem (napenergia→villamos energia)

napkollektor (napenergia→hőenergia)

szolártermikus erőművek (napenergia→hőenergia→villamos energia).

Fontos előre meghatároznunk, hogy pontosan milyen célra is szeretnénk hasznosítani a Napból érkező energiát. A napelemek segítségével direkt elektromos áramtermelésre, míg a napkollektorokkal használati melegvíz előállításra és/vagy fűtés rásegítésre leszünk képesek.

Passzív hasznosítás az energiatudatos építészetben rejlik, az optimális tájolású épületeken keresztül a legjobb hatásfokú hőszigetelő anyagokon át.

Közvetett formája a napsugárzás hasznosításának a szél- (szélturbinák) és a vízenergia (vízturbinák), a biomassza (biogáz, energiaültetvények) és - a talaj felső rétegéből, melyet a Nap melegít fel - a talajhő kinyerése hőszivattyú segítségével.

Az egységnyi felületre érkező teljesítmény függ az évszaktól és a napszaktól is, azaz a Nap állásától.

A Napállandó megmutatja, hogy a földi légkör felső határának egy a napsugárzásra merőleges pontján egy négyzetméterről mennyi energiát tudnánk begyűjteni 100%-os hatásfok mellett. Ez az érték általánosan elfogadva és a gyakorlatban is használva 1360 W/m2, amelyet szoláris paraméterként kezelünk.

Napenergia potenciál: egy adott földrajzi helyre eső, a napenergia mennyiségét jellemző kifejezés. Két részből áll: - globálsugárzás: 1 m2 vízszintes felületre eső, időegység alatt érkező energia mennyisége (W/m2) (a direkt és a szórt sugárzás összege)

napfénytartam: egy adott időszak alatt mennyi ideig sütött a Nap.

A hasznosításhoz szükséges napsütés minimum értéke: 200 W/m2 direkt sugárzás. (A Napból érkező sugárzás lehet közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) sugárzás.) A hasznosítható napsugárzás mennyiségét befolyásolja a hasznosító berendezés dőlésszöge és tájolása. Magyarországon megközelítőleg a legtöbb napsütés a déli tájolású 40-42˙-os dőlésszögű felületekre érkezik (ez kb. 1450 kWh/m2).

A napsugárzás energiamérlege:
Napállandó: kb. 1360 W/m2. Ebből kb. 26%-ot visszaver a légkör rövidhullámú sugárzás formájában, és kb. ugyanennyit el is nyel. A földfelszínre lejutó direkt sugárzás kb. a Napból érkező sugárzás 33%-a, míg a szórt sugárzás kb. 18%-a, azonban ebből a Földfelszín kb. 10%-ot visszaver, így a földfelszínre érkező Napból származó globálsugárzás kb. 41% (18%+33%-10%).

Jellemző napsütéses értékek a felhőzet hatására:

tiszta, felhőtlen idő esetén 1000 W/m2

felhős idő esetén 750 W/m2

borús idő esetén 500 W/m2.

Magyarországon lévő napsütéses órák száma

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