Napsugárzás energiája

Az előadások a következő témára: "Napsugárzás energiája"— Előadás másolata:

1 Napsugárzás energiája
Dr. Dióssy László c. egyetemi docens

2 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

3 Napenergia földi eloszlása

4 Magyarország napsugárzási viszonyai

5 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

6 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

7 A Nap és egy tetszőleges helyzetű kollektor viszonya

8 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]

9 Sugárzási komponensek hőhasznosító felületen

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

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

12 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]

13 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)

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

15 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

16 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

17 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 = Ft/hó (50 Ft/kWh)

18 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!)

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

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

21

22 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)

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

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

25 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)

26 Kollektorok csővezetése
Kígyó alakú Regiszter tipusú Spirális

27 Síkkollektorok kapcsolása
1. soros 2. párhuzamos

28 Vákuumcsöves kollektorok

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

30 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.

31 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

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

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

34 Jellege: farm torony Kollektor típusa: teknő tányér Koncentrálóképesség Elnyelő-hőmérséklet (°C) Hatásfoka (%) 6...12 8...20 Kollektorra vetített teljesítménye m2/kW 16...6 8...5 Beépített felületre vetített teljesítménye m2/kW Hűtőfolyadék thermo-olaj - Munka (hőátvevő) folyadék szerves folyadék, víz víz, gáz víz, levegő, hélium, nátrium Turbina típusa csavaros, gőzturbina gőzturbina, Stirling-motor gázturbina

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

36 A napteknő részei

37 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.

38 Naptorony sémája (Boeing típus)

39 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.

40 Naptányér működése

41 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.

42 Napkémény

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

44 Napkollektor

45 Kollektorok hatásfoka

46 Közelítő kollektorhatásfokok

47 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

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

49 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

50 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)

51

52

53

54

55

56 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!

57 Napenergia passzív hasznosítása
Építészet

58 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

59 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

60 Napcella Közvetlen elektromos energia nyerés

61 Napsugárzás → Villamosenergia
Fotovillamosság Napsugárzás → Villamosenergia

62 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

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

64

65