Nap– és szélenergia felhasználásának lehetőségei Oktatási anyag, 2004 Készítette: Dr. Kun-Szabó Tibor

Oktatási anyag Dr. Kun-Szabó Tibor Napenergia-hasznosítás Oktatási anyag Dr. Kun-Szabó Tibor

Energiaforrások Nem megújuló Megújuló Szén Kőolaj Földgáz Atomenergia Fúziós energia Megújuló Napenergia Szélenergia Vízenergia Biomassza Geotermikus

A magyar energetikai potenciál Energia-fajta Vagyon, Mt (PJ/év) Termelés, Mt/év (PJ) Ellátottság, év Nem megújuló Szén 480 7,0 ~70 Lignit 2200 7,6 ~400 Kőolaj 19 1,3 ~15 Földgáz 60 3,0 ~20 Uránérc 3,4 2∙10-5 Bányászat megszűnt Megújuló Vízenergia 16 1,8 -- Biomassza 100 14 Nap- és szélenergia 10 ~0

Napenergia Aktív hasznosítás Napelemek Napkollektorok Passzív hasznosítás Tornácos épületek Passzív napenergia hasznosító házak Aktív hasznosítás Napelemek Napkollektorok lefedés nélküli nemszelektív síkkollektorok nem szelektív sík-kollektorok szelektív síkkollektorok vákuumcsöves kollektorok

Napsugárzás légköri eloszlása Földünket a Nap teljes energiájának csupán 0,1%-a éri el. Mégis ez az energiamennyi-ség az, ami mindent táplál és működtet a Földön. Évente olyan mennyiségű energia érkezik a Napból a Földre, amennyit kb. 60 milliárd tonna kőolaj elégetésével nyerhetnénk. Ha ennek csak 1%-át hasznosítanánk 5%-os hatékonysággal, akkor a világon minden ember annyi energiát fogyaszthatna, mint egy amerikai állampolgár. A "napkályha" már 4,5 milliárd év óta ég és emberi számítás szerint még további 5 milliárd évig nem fog kialudni. Ez az energiaforrás - emberi léptékkel mérve - folyamatosan, megújuló módon áll a rendelkezésünkre.

Napenergia eloszlása Magyarországon

A napelemek elmélete A napelemek olyan félvezetőkből állnak, mint a szelén, az amorf szilícium, a szilíciumkristály, a gallium-arzenid, a réz-indiumdiszelenid vagy a kadmium-tellurid. Működésük azon alapul, hogy a fénysugárzás fotonjai a félvezető elektronjait a kötésből kimozdítják. Így elektron-lyuk párok keletkeznek. Ezek abban az esetben, ha ellentétes típusú félvezető anyag határfelületére érkeznek, kettéválnak. Az n-típusú félvezetőkben elektron-többlet, a p-típusúban elektronhiány keletkezik. A félvezetők jól vezető alaplapra szerelve és a napsugárzás felőli oldalán elektromos vezető csíkokkal ellátva, a keletkező energia elvezethető. Világos időben egy szilíciumelem kb. 0,5 V-ot, és kb. 25 mA/cm2 energiát termel, ami kb. 12-13 mW/cm2. A napelemeket jelenleg leginkább azokon a területeken használják, ahol viszonylag kis árammennyiségre van szükség (számológép, karóra, ventilátorok stb.), vagy ahol ugyan nagyobb mennyiségű áram szükséges, de nincs lehetőség a hálózat kiépítésére, vagy nem éri meg a hálózat kiépítése (űrkutatás, fúrótornyok, világító-tornyok, távoli települések, kutatóállomások stb.).

Napcellás ház

A kollektorok elhelyezése és tájolása A kollektorok optimális tájolása déli irányú, de ettől a felszerelési hely adottságaitól függően kis mértékben el lehet térni keleti/nyugati irányban. A déli iránytól való eltérés a hasznosított napsugárzás csökkenését eredményezi, melynek mértéke 30o eltérésig nem jelentős. Ha a keleti és nyugati tájolás között kell választani, a melegebb, délutáni léghőmérséklet és a délután kisebb valószínűséggel előforduló ködök miatt célszerűbb a nyugati tájolást választani. A kollektorok optimális dőlésszöge a felállítási hely földrajzi fekvésétől függ, és évszakonként váltakozik. Magyarország területén az optimális dőlésszög egész éves üzem esetén: ~45o májustól szeptemberig: ~30o novembertől februárig: ~65o Az optimális dőlésszögtől való eltérés a kollektorok teljesítményének csökkenését eredményezi. A csökkenés egész éves üzem mellett, vízszintes beépítés esetén ~20%, függőleges beépítés esetén ~35%.

Napsugárzást hasznosító felületek tájolása Vízszintestől-függőlegesig terjedő felületre érkező sugárzási intenzitás délben (ideális esetben) Déli iránytól való eltérés 45°-os dőlésszög esetén

Napkollektor háztetőre szerelve

A napkollektor rendszer felépítése – Kétkörös melegvíz készítő rendszer primer kör: szoláris (zárt) szekunder kör: használati melegvíz (nyitott) – A kollektor hajlásszöge változtatható – A tartály szerepe a hőenergia tárolása – Elektromos vízmelegítővel fel van szerelve

A napkollektor rendszer Általános felépítésű napenergiával működő vízmelegítő rendszer Részei: Napkollektor Víztároló tartály Automatika Szoláris szerelési egység Tágulási tartály Elektromos vízmelegítő

A napkollektor Heliostar N2L szelektív bevonat (jó hatásfok) korrózióálló szerkezeti anyagok, zárt kollektor ház (hosszú élettartam) 4 mm-es nagy tisztaságú üveg ( Nap felé eső síkban) burkolata sajtolt, korrózióálló Al-Mg ötvözet hátul 40 mm vastag hőszigetelt kőzet- gyapot abszorber lemez (rézcsőre sajtolt Al- lamellák) és galvanizált Ni-Al2O3 szelektív bevonat Heliostar N2L

Melegvíz tároló tartály EMMETI EUROPA hőcserélős, melegvizes tároló 150 literes állótartály, 1 acélcsőből készült, behegesztett csőkígyó elektromos fűtőpatron hőszigetelése 60 mm-es poliuretánhab külső műbőr borítás felületvédő bevonat ACES idegenáramú anódos korrózió-védelem

Szoláris szerelési egység és egyéb elemek keringető szivattyú, működtető, ellenőrző és biztonsági szerelvények, konzol (tágulási tartály) térfogatáram-mérők, légtelenítő elemek, biztonsági szelepek, szigetelések, szuperzöld fagyálló, hőátadó folyadék

Napkollektor automatika a primer (szoláris) kört vezérli keringető szivattyú be- és kikapcsolását szabályozza (T koll>Ttároló,5-15 °C)

Az elnyelő (abszorber) A folyadék munkaközegű síkkollektor energiagyűjtő eleme általában jó sugárzás-elnyelő tulajdonságú lemezlap (abszorber). Az abszorber felépíthető sík bordázatú csövekből vagy kiképezhető olyan fémlemezként, amelyre csőkígyót erősítenek. A munkaközeg a csőben áramolva a napsugárzás hatására felmelegszik. Bizonyos esetekben a csőjáratos lemez műanyagból is készülhet. A lefedéssel készülő kollektorok üresjárati hőmérséklete (amikor a hőhordozó közeg nem kering) igen magas lehet, elérheti a 180-200 oC-ot is. Ezért elnyelő lemeznek fémet célszerű alkalmazni, legtöbbször rezet vagy alumíniumot. A csővezeték általában vörösrézből készül.

A síkkollektor elnyelő-elemének bevonata A síkkollektorokkal hasznosított energia mennyisége jelentős mértékben függ az elnyelő lemez tulajdonságaitól. A cél olyan elnyelő lemez kialakítása és alkalmazása, amely a nap-sugárzást közel 100%-ban elnyeli, ugyanakkor saját vissza-sugárzása minimális. Ezt ún. szelektív bevonattal lehet elérni. Szelektív bevonatként általában galvanizálással felvitt nikkel-, vagy króm-oxidokat használnak, de lehet kapni szelektív tulajdonságokkal rendelkező festéket, ún. "szolárlakkot" is. Kedvező hatást lehet elérni az elnyelő lemez felületének érdesítésével is. Természetesen alkalmazhatók szelektív bevonat nélküli abszorberek is. Ezek hatásossága kisebb, de a nyári félévben kielégítően alkalmazhatók.

A síkkollektorok lefedése Lényegesen befolyásolja a kollektorok hatásosságát a lefedés fényáteresztő és hőszigetelő képessége. A kollektor gyártók általában alacsony vastartalmú, 4 mm vastag edzett biztonsági üveget alkalmaznak. Az üveg előnye az igen jó fényáteresztő képesség és a megbízható, hosszú élettartam. Az edzett üveg a jégverésnek és a hóterhelésnek is ellenáll. Új fejlesztés a lencsefelületű biztonsági üveg, amelynél a felszínt borító kicsiny lencsék a nagy szög alatt érkező közvetlen napsugárzást bevezetik az elnyelő fölötti térbe. Másik lefedő lemeztípus a polikarbonát-lemez. Előnye az alacsony ár, a kis súly és a jó hőszigetelő képesség. Hátránya, hogy nagy termikus igénybevétel és sugárzás-terhelés mellett rövidebb az élettartama.

A kollektorok hőszigetelése és dobozszerkezete A kollektorok abszorbereinek hátoldalán hőszigetelést kell alkalmazni. A hőszigetelésre szálas ásvány- vagy üveggyapotot használnak 40-80 mm vastagságban. A dobozszerkezet (kollektorház) általában alumíniumlemezből készül. A dobozszerkezet feladata a lefedés, az abszorber, és a hőszigetelés zárt egységben tartása, a kollektor lezárása, a nedvesség bejutásának a meg-akadályozása. Közvetlenül a tetőszerkezetbe épített kollektorok doboz nélküliek. Ezek előnye, hogy némileg olcsóbbak és kisebb a hőveszteségük. A kollektorok általában 2 m2 körüli felülettel, kb. 1x2 m-es méretben készülnek. Nagyobb igények kielégítésére több kollektort kell alkalmazni.

Tárolók Tárolót azért kell alkalmazni, mert a napsütés időtartama az évszaktól és az időjárástól függően változik, és általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. Ezért a napsütés időtartama alatt előállított hőt tárolni kell a felhasználás időszakára. A tárolók hatásuk szerint három félék lehetnek: rövid idejű, általában 24 órára, közepes időtartamú, 1-4 hetes, hosszú idejű, egész idényre. A tárolókat töltetük szerint is osztályozhatjuk: folyadék, szilárd és kémiai töltetűek.

Hőhordozó A kollektorokban alkalmazott leggyakoribb hőhordozó a víz, ill. az ezzel egyenértékű fagyálló folyadék, de léteznek levegőhordozóval működő kollektorok is. A levegőhordozós kollektorokat az amerikai földrészen alkalmazzák lakóépületek fűtésére, hazánkban főleg terményszárítókban használják. A levegőhordozóval üzemelő kollektorok esetén az abszorber lényegesen nagyobb felületen köteles érintkeznie a hő-hordozóval, mint a folyadékos kollektor.

Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti a Környezetmérnöki Tanszék hallgatóit (Kiss Csaba, Major Alexandra, Orosz Tibor és Papp Henrietta) a tervezési gyakorlatok és a diplomadolgozatok készítése során elvégzett szakirodalmazási munkájukért, amelynek eredményei ebben az oktatási anyagban megjelenhettek. Köszönet illeti Vágvölgyi Gusztávot a NYTF-ról, akinek az összeállítását itt részben felhasználtuk. Dr. Kun-Szabó Tibor egyetemi docens

Köszönöm a figyelmet!