Napsugárzás energiája Dr. Dióssy László c. egyetemi docens

Napsugárzás energiája Napállandó :1353 W/m² 1m² felületre 1 s alatt eső sugárzás Optikai légréteg (air mass) jele: m vagy AM0 AM0: Földön kívüli légréteg AM1: Föld felszínére merőlegesen

Napenergia földi eloszlása

Magyarország napsugárzási viszonyai

Hőelnyelő felület és a napsugárzás egymáshoz viszonyított helyzete Dőlésszög (β): hőelnyelő felület vízszintessel bezárt szöge Felszíni azimutszög (γs): Vízszintes síkon mérve a napsugárzás vetületének a déli iránnyal bezárt szöge Beesési szög (Θ): a felszínre érkező napsugár és a felszín normálisa által bezárt szög

Hőelnyelő felület és a napsugárzás egymáshoz viszonyított helyzete Zenit szög (Θz): A beeső sugár és a függőleges (zenit) által bezárt szög Napsugárzás szög (αs): a Naphoz húzott egyenes és a vízszintes sík által bezárt szög αs=90°-Θz

A Nap és egy tetszőleges helyzetű kollektor viszonya

Sugárzási komponensek Direkt sugárzás: Idir Szórt (diffúz) sugárzás: Idiff Atmoszféra szórt sugárzása Föld felszíni környezet szórt sugárzása Teljes napsugárzás : I I=Idir+Idiff Sugárzás felületi teljesítmény [W/m2] jele=I Napfény besugárzás [J/m2]

Sugárzási komponensek hőhasznosító felületen

Sugárzási komponensek hőhasznosító felületen Irβ; Isβ Iβ=Idirβ+Isβ+Irβ

Hőhasznosítás Abszorpció: α [-] Ebe [W/m2] fajlagos energiaáram Ebe*α = Eki =Es+Ekonv ≈ f(Te-Tk) Arányossági tényező: f [W/m2K] Emissziós tényező: ε [-]

Üvegréteg hatása Transzparencia (átlátszóság): a [-] a= 0,8 egyrétegű üveg a napsugárzás mekkora részét a= 0,75 kétrétegű üveg engedi át? Üvegréteg vesztesége Veszteségtényező: β [W/m2K] Egyrétegű üveg: β= 5[W/m2K] mekkora energia Kétrétegű üveg: β= 2,7[W/m2K] vész el? Az üveg okozta veszteség Ev=β(Te-Tk) [W/m2]

Példa Ebe=400 [W/m2] Tk=20°C Te=? (felületi hőmérséklet) Polírozott sárgaréz Ebe=400 [W/m2] Tk=20°C Te=? (felületi hőmérséklet) v= 1m/s (Szél sebessége)

Példa Ebe*α=Es+Ekonv ≈ f(Te-Tk) Táblázatból α=0,4 [-] f=9

Példa Fedjük le 1 réteg üveggel, és az így létrehozott hő csapdából mekkora energiaáramot tudunk elvezetni úgy, hogy a felületi hőfok ne változzon. Ebe*α*a=Eh+β(Te-Tk) Táblázatból: a=0.8[-] β=5[W/m2K] Eh=Ebeα*a-β(Te-Tk) Eh=400*0,4*0,8-5(37,8-20)=128-89=39W/m2

Napenergia hasznosítás Aktív Hőhasznosítás (napkollektorokkal, naperőművekkel) – elektromágneses sugárzás átalakítása hőenergiává majd a folyadék munkaközegnek átadása Fotovoltaikus hasznosítás (napelemekkel) – Napsugárzás fényenergiáját elektrokémiai úton átalakítja villamos energiává Passzív Épületszerkezetek megfelelő kialakítása, színezése,elhelyezése

Gazdaságosság Mo-on a passzív hasznosítás, melegvízellátás az év egy részében és kis mértékben napelemes áram előállítás a vállalkozói szférában jellemző 1m² napkollektor felülettel ~500 kWh /év hasznosított energia Összehasonlítás: 4 tagú család áramfogyasztása ~200 kWh /hó = 10 000 Ft/hó (50 Ft/kWh)

Hőhasznosítás Hőhasznosítók részei Elnyelő és energiaátalakító szerkezetek (kollektorok) – Mo-on β dőlésszög 45̊ Tárolók Működtető szerkezetek és hálózatok Hőelnyelő szerkezetek alapján, lehet Síkkollektor Koncentráló elnyelő Vákuumcsöves kollektor (síkkollektor speciális típusa!)

Síkkollektorok A világon használtnak 90%-a Megbízhatóság, könnyű karbantartás A hőelnyelő lemez vákuumba téve a levegő kiszivattyúzásával → rendkívül jó hőszigetelés

Alapfelépítésű síkkollektor keresztmetszete Síkkollektorok Alapfelépítésű síkkollektor keresztmetszete 1. abszorber; 2. külső fedőlemez; 3. belső fedőlemez; 4. szigetelés; 5. folyadékcső; 6. kollektordoboz

Fedő lemez feladata Mechanikai védelem Napsugárzás átengedése Elnyelőfelület és a külső tér közötti hőszigetelés Infrasugarak visszaverése Anyaga: Üveg (kis vastartalmú edzett tükörüveg) - Transzparens műanyag (fólia)

Elnyelő lemez (abszorber) Anyaga általában alumínium Elnyelő képesség növelése: Struktúra változtatással Szelektív bevonattal (elterjedt) - interferencia Fémbevonat Fémoxid bevonat Optikai elven működő szelektívbevonat

Kollektor doboz Elnyelő és a fedőlemez közti légrés biztosítása Szigetelt (polisztirol, poliuretán, PVC-hab, polietilén-hab, polipropilén-hab, üveggyapot, ásványgyapot) Víztömör Szerelhető

Kollektorok felépítésük és az elnyelőelem szerint Felépítésük szerint - Hővédelem nélküli (fedés nélküli) Egyrétegű lefedésű Kétrétegű lefedésű Vákuum kollektorok Elnyelőelem szerint Táskás elnyelők (hőhordozós napkollektornál) Csöves elnyelők Csőjáratos lemezes elnyelők (elnyelő lemezbe sajtolt vörösréz csőkígyó)

Kollektorok csővezetése Kígyó alakú Regiszter tipusú Spirális

Síkkollektorok kapcsolása 1. soros 2. párhuzamos

Vákuumcsöves kollektorok

Hőcső (rézből) Külső üvegcső Belső üvegcső, külső részein szelektív bevonat Vákuum

Vákuumcsöves kollektorok Jó hőszigetelés amíg a vákuumot tartja – amikor kicsi a napsugárzás intenzitása (télen), kisebb marad a hővesztesége mint a síkkolektoré (szél és hideg kevésbé bef.) Nagyon költséges Magas a hatásfoka, a vákuumcsövek henger alakja miatt, a Nap függőlegesen éri az üveg felületét szinte egész nap, és így teljesítményértékek magasak, reggeltől késő délutánig jó a hőhozam. A síkkollektor csak délben nyújt csúcsteljesítményt, amikor a Nap merőleges a kollektor síkjára.

Koncentráló kollektorok A sugárzást az elnyelő felületéhez koncentrálják Tulajdonságai Nagyüzemi hőmérséklet előállítása (gőz) Direkt sugárzás esetén Kisebb felület, mint a síkkollektoroknál Napkövető mozgatás kell Szennyeződésekre érzékeny

Koncentráló kollektorok Fajtái Lineáris koncentráló (síktükrökkel) Parabolikus koncentráló (parabolatük.)

Parabolikus koncentrálás Nagyarányú koncentrálás Csak közvetlen sugárzást Pontos napkövetés Kis felületű elnyelőszerkezet Nagyobb hőveszteség

Jellege: farm torony Kollektor típusa: teknő tányér Koncentrálóképesség 10...100 100...600 100...1000 Elnyelő-hőmérséklet (°C) 150...350 400...900 450...1200 Hatásfoka (%) 6...12 8...20 15...25 Kollektorra vetített teljesítménye m2/kW 20...10 16...6 8...5 Beépített felületre vetített teljesítménye m2/kW 80...40 60...25 40...20 Hűtőfolyadék thermo-olaj - Munka (hőátvevő) folyadék szerves folyadék, víz víz, gáz víz, levegő, hélium, nátrium Turbina típusa csavaros, gőzturbina gőzturbina, Stirling-motor gázturbina

Napteknő Teknő alakú tükrök követik a Nap mozgását, a tükrök fókuszában egy cső található, benne hőátadó folyadék kering és veszi fel a hőt.

A napteknő részei

Naptorony Koncentrikus körökbe telepített nagy felületű és napkövető síklap tükrök irányítják a visszavert fényt a középpontban álló torony tetejére. Itt egy tartályban található a hőátadó folyadék, ami felveszi a hőt.

Naptorony sémája (Boeing típus)

Naptányér Több korong alakú homorú tükröt mozgat egyszerre a napkövető állványzat. A tükrök közös fókuszpontjában veszi át a hőt a hőátadó folyadék. Egymagában álló, kevés energiát termelő rendszer.

Naptányér működése

Napkémény Nagy földterületet borítanak kör alakú üveg vagy műanyagszerkezettel, ami a kör közepe irányába magasodik. Középen egy magas torony található, itt található a szélturbina. Napsütés hatására az üveg (vagy műanyag) alatt található levegő felmelegszik, a torony irányába kezd áramlani. A toronyban a meleg levegő felszáll, mozgásával a turbina lapátjait megforgatja, a turbinához generátor csatlakozik→áram Egy 5 MW teljesítményű erőműhöz 1100 m átmérőjű kollektor, 445 m magas 27 m átmérőjű kémény. Egy 200 MW-os erőműhöz ugyanezek a paraméterek: 5000 m átmérőjű kollektor, 1000 m magas, 150 m átmérőjű kémény.

Napkémény

Napkollektor Egy négytagú családnak kb. 200 liter melegvízre van szüksége naponta. Ez a mennyiség kb. 10 - 15 m² kollektorból hozható ki. Vákuumcsöves kollektor esetében ennek a felületnek a fele is elegendő.

Napkollektor

Kollektorok hatásfoka

Közelítő kollektorhatásfokok

Hőhordozók Víz (100ºC-ig) Glikol oldatok (propilén glikol) – fagyvédelem mellett max. 140 ̊ C, kollektoroknál általános Termoolajok (300 ºC-ig) Szintetikus olajok (400 ºC-ig) – különleges szigetelések, tömítések szükségesek

Elvárás a hőhordozó közeggel szemben Jó fagyásállóság Magas forráspont Megfelelő viszkozitás Kémiai stabilítás Ne károsítsa a szerkezeti anyagokat Ne legyen tűzveszélyes

Működtető szerkezetek Keringető rendszerek – szivattyú alkalmas legyen a kis folyadékáramú, viszkózus fagyálló mozgatására, nagy hőmérséklettűrésű legyen Hőcserélő rendszerek – külső vagy tárolótartállyal összeépített Szabályozó rendszerek – tágulási tartály a hőtágulás miatt, hőmérsékletszabályozók Biztonságtechnikai szerkezetek – túlnyomás kialakulásának megakadályozása, ha a hőhordozó hőmérséklete meghaladná a forráspontot

Működtető rendszerek csoportosítása Hőhordozó közeg keringetése szerint Gravitációs keringetésű Szivattyús keringetésű Hőhordozó közeg nyomása szerint Túlnyomás nélküli (nyitott) rendszer Nyomás alatti rendszerek (hálózati nyomás) Hőhordozó körök száma szerint 1 körös ( a kollektorkörben is használati víz) 2 körös ( kollektorkörben fagyálló folyadék, mely hőcserélőn keresztül melegíti a vizet)

Napenergia passzív hasznosítása Déli tájolású nagy ablakfelületek árnyékolással, hőszigeteléssel Épülethez csatlakoztatott üvegház Legnagyobb fűtési igényű helyiségek „védelme” északról kisebb fűtésigényű helyiségekkel Az épületeket integrált módon tájoljuk és alakítsuk ki!

Napenergia passzív hasznosítása Építészet

Fotovillamos átalakítás Napelem: fotovillamos elem, a napsugárzás fényenergiáját elektrokémiai úton alakítja át villamos energiává Napelem rendszer modulokból áll, a modulok cellákból állnak össze A modul működési elve: a fénysugárzás fotonjai ( a fényért és minden elektromágneses sugárzásért felelős elemi részecske) elmozdítják a napelem modul félvezetőjének elektronjait a kötéseiből → az elem diódájának anódján és katódján potenciálkülönbség keletkezik → elektromos feszültséget gerjeszt

Fotovillamos átalakítás Fotocellák működése:a félvezetők azok az anyagok,amelyek fajlagos ellenállása a vezetők és a szigetelők közé esik, elektromos vezetésük függ a hőmérséklettől A félvezető ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetőt adalékolják. Az alkalmazott adalékatomnak eggyel több vagy kevesebb elektronja van, mint a félvezetőnek. Ha eggyel több, akkor negatív (n) típusú félvezetőről beszélünk, ellenkező esetben pozitív (p) típusúról. A fotovillamos átalakítás során p-típusú és n-típusú félvezetőket tartalmaznak, a beeső fény a félvezető atomjait ionizálja → a beeső fotonok többlet töltéshordozókat keltenek ( a pozitív töltéshordozók (lyukak) a p-rétegben, a negatív töltéshordozók (elektronok) az n-rétegben lesznek többségben Rekombinálódni csak egy külső áramkörön keresztül áramolva képesek

Napcella Közvetlen elektromos energia nyerés

Napsugárzás → Villamosenergia Fotovillamosság Napsugárzás → Villamosenergia

Napelemes alkalmazás a gyakorlatban Sziget üzemmód – a villamos energiát napelem modulokkal termeljük és az energiát akkumulátorokban tároljuk (12 vagy 24 volt egyenfeszültség), inverter segítségével feltranszformálható az áram 230 voltra, pl. tanyák villamosítása, melyek messze vannak a közcélú hálózattól Hálózati visszatáplálás – ha többlet energia termelődik, akkor azt vissza lehet táplálni a hálózatra (kétirányú speciális mérőóra alkalmazása) Nagyteljesítményű energetikai rendszerek – közvetlen feltáplálás 20 kV-os vezetékre

Népszabadság 2011.08.26: „Távozott a Szilikon-völgy ikonja, új gazda az Almáskertben”.