Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A cikk az aquapóniát bemutató sorozat második részeként kerül publikálásra, de önálló, a napenergia alkalmazását taglaló írásként is megállja a helyét. A napenergiáról és annak hasznosításáról részletes ismertető például fő forrásunkban, a Naplopó Kft. tervezési segédletében található, ez az összefoglaló csak a passzív szolár üvegház működésének későbbi megértéshezszükséges információkat tartalmazza.
A napenergiáról
A napenergia hasznosítása
Megújuló energiaforrásnak azt az energiaforrást nevezzük, melynek felhasználása során a Föld természetes energiaegyensúlya nem változik, visszafordíthatadan plusz környezetterhelés nem keletkezik. A megújuló energiaforrások nagy részének közös jellemzője, hogy létrehozójuk és táplálójuk a Nap kimeríthetetlen sugárzása.
A napsugárzás hatására különböző természeti jelenségek játszódnak le, például szél, eső keletkezik, növényzet alakul ki. Az ezeken a jelenségeken alapuló energiatermelést a napsugárzás közvetett hasznosításának nevezzük. A napsugárzás energiája közvedenül is felhasználható. A közvetlen hasznosítás lehet passzív vagy aktív.
Passzív hasznosításnak azt nevezzük, ha a napsugárzást az épületek szerkezeti kialakításával hasznosítjuk. Megfelelően tájolt, a napsugárzást igényesetén elnyelő és tároló, de a túlzott nyári napsütéstől védett épületekkel az épületgépészeti energiaigény jelentősen csökkenthető.
Aktív hasznosításnak nevezzük, ha a napsugárzást erre a célra gyártott berendezésekkel hasznosítjuk. Ezek lehetnek napelemek vagy napkollektorok, avagy ezek változatai. A napelemek olyan félvezető anyagból készülnek, melyekben napsugárzás hatására töltésszétválasztás történik, és így egyenáram keletkezik. A napkollektorok a napsugárzást elnyelik és hővé alakítják. Az így keletkezett hőenergia használati melegvíz-készítésre, épületek vagy medencék vizének fűtésére használható.
1. ábra. A napsugárzás energiájának felhasználási módjai
A napsugárzás mennyiségi jellemzői
Föld légkörének határára érkező napsugárzásnak csak egy része éri el a földfelszínt (2. ábra). Az évi átlagos, globális mérleg szerint a sugárzás 23%-át a légköri gázok és vendéganyagok elnyelik és hővé alakít ják, 26%-a pedig visszaverődés és szórt sugárzás formájában a világűrbe visszasugárzódik. A földfelszínt így a sugárzás 51 %-a éri el: 33% mint közvetlen rövidhullámú sugárzás és 18% mint diffúz égsugárzás. A földfelszín a sugárzás 10%-át visszaveri, melyből 5% a légkörben elnyelődik, 5% pedig a világűrbe távozik.
2. ábra. A napsugárzás eloszlása
A Föld sugárzási háztartása átlagértékben állandóan kiegyenlített. A Föld egyes pont jain azonban a napsugárzás értéke időben változó. Magyarország fóldrajzi szélességén a napsugárzás az év folyamán erősen ingadozik. Ennek oka egyrészt a Nap-Föld geometriai viszonyaiban, másrészt az időjárástól ruggő felhősödésben rejlik. A Föld a Nap körül Kepler törvényei szerint olyan ellipszis alakú pályán kering, melynek egyik gyújtópontjában a Nap áll. A Föld forgástengelye 23,5°-os szöget zár be a Nap körüli keringés tengelyével. Ez a ferdeség okozza azt, hogy a nappalok hossza, vagyis a napsütés elméleti időtartama változó. De nem csak a napsütés időtartama, hanem a napsugarak beesési szöge és ezzel a Föld felületegységére eső energiabevitel is változó. Kis beesési szög mellett (alacsony napmagasság) a napsugár útja hosszabb a légkörön keresztül, ezáltal nagyobb a sugarak energiavesztesége.
Derült időjárás, felhőtlen égbolt esetén a napsugárzást csak a légkör gyengíti. A döntően nitrogénből és oxigénből álló légkör a napsugárzás teljes hullámhossztartományában közel egyenletes gyengülést okoz. A légkörben kisebb részarányban található elemek, szennyeződések sávosan, egy-egy hullámhossztartományban fejtik ki elnyelő hatásukat. A légkör a földfelszínre érkező napsugárzás kiszámítható gyengülését okozza. Ennél jelentősebb és az időjárás szeszélyeitől függ a felhőzet és a köd gyengítő hatása. Felhőzet a levegőben lévő nedvesség kondenzációja során keletkezik. Ha a levegő harmatpont alá hűlése kondenzációs magvak (pl. porrészecskék, sókristályok vagy ionok) jelenlétében történik, akkor vízcseppek, illetve alacsonyabb hőmérsékleten jégszemcsék jönnek létre, így felhők, talajközelben pedig köd keletkezik. A felhők a napsugárzás jelentős részét visszaverik, illetve elnyelik. Egy adott földrajzi helyen a felhőzet gyakoriságát, a derült és borult napok számát, valamint a földfelszínen mérhető napsugárzást sok éves méréseken alapuló meteorológiai adatsorok adják meg.
Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8° és 48,6° között található. A napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100, a vízszintes felületre érkező napsugárzás hőmennyisége kb. 1300 kWh/m² év. A napsugárzás csúcsértéke nyáron, a déli órákban, derült, tiszta égbolt esetén eléri, esetenként meghaladja az 1000 W/m² értéket. A Napból kisugárzott energia közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) sugárzás formájában érkezik a földfelszínre.
A közvetlen sugárzás egyenes vonalú pályán érkezik a napból, és minden fényre jellemző tulajdonsággal bír. A szórt, határozott irány nélküli sugárzást a légkör részecskéin és a felhőzeten végbemenő szóródás okozza. A közvetlen és a szórt sugárzás összegét teljes (globális) sugárzásnak nevezzük. Magyarországon a szórt sugárzás részaránya jelentős, meghaladja az 50%-ot (3. ábra).
3. ábra. Szórt és direkt napsugárzás évi eloszlása Magyarországon
Magyarország egyes területei között a napsugárzás szempontjából nincsenek jelentős eltérések. A legnaposabb rész az ország középső, déli része, a legkevesebb a napsütés az északi és nyugati részen (4. ábra). Az eltérés az egyes országrészek között 10% alatti.
4. ábra. A napsugárzás hőmennyiségének eloszlása Magyarországon
A napsugárzás geometriai jellemzöi
A Föld forgástengelye és a Nap körüli keringés tengelye közötti 23,5°-os eltérés miatt a Nap látszólagos pályája az égbolton az év minden napján más és más. Télen a Nap alacsonyabb, nyáron magasabb pályát ír le. A Nap pillanatnyi helyzetét az égbolton a napmagassággal (m) és az azimunal (a) jellemezhetjük (5. ábra).
5. ábra. Napmagasság és azimut
Napmagasságnak a nap vízszintes, horizontsíkra vonatkozó beesési szögét nevezzük. Magyarországon a Nap delelési magassága legnagyobb június 21-én, ekkor a napmagasság 66°, legkisebb pedig december 21-én, ekkor a napmagasság 19° (6. ábra).
6. ábra. A Nap latszólagos napi mozgása az égbolton Budapest látóhatára felett
Azimutnak a Nap horizontsíkra vetített helyzetének egy meghatározott iránytól való eltérését nevezzük. A Nap helyzetét jellemző napmagasság- és azimutértékeket diagramokban is szokás ábrázolni. Az ilyen ún. nappályadiagramok szemléletesen mutatják a Nap járását, és alkalmasak például árnyékmaszkok meghatározására is (7. ábra).
7. ábra. A Budapestre vonatkozó nappálya-diagram
A nappályadiagramok egy adott fóldrajzi szélességre vonatkoznak. A diagram használatakor ügyelni kell arra, hogy az időbeosztás a valós csillagászati időt mutatja, a nyári időszámítás miatti eltérést figyelembe kell venni.
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.
8. ábra. A hőhasznosítás hatásfoka a tájolás és a dőlésszög függvényében
A 8. ábrán látható, hogy a hasznosítható napsugárzás hogyan csökken az optimális elhelyezéstől való eltérés fuggvényében. Jelentős csökkenés csak fuggőleges dőlés és keleti vagy nyugati tájolás közelében tapasztalható. Az optimális dőlésszöget és tájolást az elnyelő felület sugárzásjövedeImén kívül befolyásolják a napenergia-hasznosító berendezés üzemi körülményei is. Felmerülhet az a kérdés is, hogy célszerű-e a nap irányába forgatni az elnyelőlemezt? Mivel a napsugárzás jelentős része határozott irány nélküli, szórt sugárzás, ezért a napkövetéssel elérhető teljesítmény-növekedés általában nem áll arányban a forgatás miatti bonyolultság- és költségnövekedéssel.
A napkollektorok működése
Felépítés
A napsugárzást a különböző tárgyak anyaguktól, kialakításuktól fuggő részarányban visszaverik, elnyelik vagy átengedik. Hő akkor keletkezik, ha a napsugárzást az anyag elnyeli. Ezért a napkollektoros hőhasznosító berendezések célja a napsugárzás minél nagyobb részarányú elnyelése. Azt a berendezést, ami a napsugárzást elnyeli és hővé alakítja, napkollektornak (napenergia-gyűjtőnek) nevezzük. A napkollektor általában egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozban elhelyezett, csőjáratos fekete lemez (9. ábra).
9. ábra. A napkollektor felépítése
Elnyelőlemez (abszorber): feladata a napsugárzás 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.
Kollektorház: feladata az abszorber, a lefedés és a hőszigetelés zárt egységben tartása, a kollektor lezárása, a nedvesség be, jutásának megakadályozása.
Üvegfedés: feladata, hogy átengedje a napsugárzást, ugyanakkor hőszigetelő képességével csökkentse az abszorberlemez konvektív hőveszteségét.
Hőszigetelés: általában ásványgyapot lemez, ami ellenáll a kollektorokban üresjáratkor fellépő magas hőmérsékletnek; nem öregszik, élettartama hosszú.
Csővezeték: általában vörösrézcsőből készül; kialakítása lehet csőkígyós vagy párhuzamos, osztó-gyűjtős.
A napkollektorok a felületükre érkező napsugárzásnak csak egy részét alakít ják át hasznos hőenergiává. Hasznosított hőenergiának azt nevezzük, amit a hőhordozó közeggel elvezetünk a kollektorból. A hasznosított hőenergia és a kollektorfelületre érkező napsugárzás energiájának hányadosa határozza meg a napkollektorok hatásfokát. A kollektorok veszteségei optikai és hőveszteségekre oszthatók:
optikai veszteségek: az üvegfelület visszaverése és elnyelése, valamint az abszorberfelület visszaverése; nem függnek a kollektorok hőmérsékletétől,
hőveszteségek: a napsugárzás hatására felmelegedett abszorberlemezről sugárzás, konvekció és hőátadás útján létrejövő veszteségek; erősen függnek a kollektor és a környezeti levegő hőmérsékletkülönbségétől.
A napkollektorok hatásfoka (10. ábra) nem állandó, pillanatnyi értékük fugg a napsugárzás erősségétől, kisebb mértékben pedig a környezeti levegő hőmérsékletétől.
10. ábra. A kollektor hatásfoka a környezeti hőmérséklet függvényében
A napkollektorok föbb típusai
Kereskedelmi forgalomban az alábbi napkollektor-típusok kaphatók:
szelektív síkkollektor,
vákuumcsöves szelektív kollektor,
vákuumos szelektív síkkollektor,
nem szelektív síkkollektor,
lefedés nélküli, nem szelektív síkkollektor.
A napkollektorokat általában szabadtéri vagy fedett medencék fűtésére, időszakos I vagy egész éves használati melegvíz-készítésre, illetve különböző épületek kiegészítő fűtésére használják. A továbbiakban csak a lefedés nélküli, nem szelektív síkkollektorokkal foglalkozunk.
Lefedés nélküli, nem szelektív síkkollektor
Ezek a kollektorok általában UVsugárzásnak ellenálló, fekete színű, műanyag vagy gumi anyagú csőjáratos lemezből készülnek (11. ábra). A gumi anyagúakat szokás szolárszőnyegnek is nevezni. Ezeknél a kollektoroknál nem alkalmaznak dobozolást és lefedést.
11. ábra. Nem szelektív síkkollektor
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.
Passzív szolár üvegház
Az üvegház működése
A magyarországi időjárás nem teszi lehetővé, hogy az aquapónia biológiai egyensúlya egész évben fennálljon. Télen túl hideg, nyáron pedig túl meleg van hozzá. A rendszervíz lassan átveszi a környezet hőmérsékletét, így télen akár be is fagyhat, nyáron pedig túlmelegszik, amit a halak és a növények nem viselnek el. Ahhoz, hogy a rendszer egész évben működőképes legyen, ha nem is teljesen, de valamennyire ki kell egyenlíteni a hőingadozást. Ez az úgynevezett paszszív szolár üvegház segítségével valósulhat meg (13. ábra) .
13. ábra. A passzív szolár üvegház vázlata
A ház alapja a földbe van süllyesztve, ezzel is csökkentve a hőingadozást, illetve növelve a hőtehetetlenséget. Falai szigetelve vannak mind a föld alatt, mind az északi, keleti, nyugati oldalfalakon, valamint az északi tetőfélen is. A déli falat és tetőfelet fényáteresztő, lehetőség szerint jól szigetelő anyagból kell kialakítani.
A ház tájolása a nagyméretű üvegfelületek miatt lehetőleg déli, attól 10-15°-nál nagyobb mértékben, a 8. ábra alapján, a napenergia hasznosításának szempontjából eltérni nem ajánlatos. A ház elhelyezésénél figyelni kell a környezetében esetlegesen elhelyezkedő fákra vagy egyéb épületekre a leárnyékolás elkerülése érdekében.
A ház belsejében, az északi fal előtt hőtároló közeg található. Azon kívül, hogy az adott évszakban a napenergia hasznosítását vagy éppen nem hasznosítását segíti, a hőtároló tömeg szerepét is segít betölteni. Télen a nap alacsony járása miatt a hátsó falnál található hőtároló közeget a napsugárzás felmelegíti, ezzel fűtve az üvegházat. Nyáron a magasan járó nap a ház kialakításából adódóan árnyékot vet a határoló tömegre, ami ezzel segít hűvösen tartani az üvegházat (12. ábra).
12. ábra. A passzív szolár üvegház keresztmetszete. Télen a nap alacsony járása miatt a hátsó falnál található hőtároló közeget a napsugárzás felmelegíti, ezzel fűtve az üvegházat
Gyakorlati megvalósítására példa a lehetőleg feketére festett tartályokban vagy hordókban tárolt víz, melynek fajhője igen nagy, ezen kívül könnyű beszerezni, tárolni, kezelni, esetleg tisztítani vagy cserélni. Hátránya, hogy csak közvetetten hat a rendszervíz hőmérsékletére.
A napsugárzás hasznosítása történhet napkollektorokkal (szolárszőnyeggel) is, melyekben maga a rendszervíz kering, így közvetlenül fejti ki hatását a rendszerre. Hátránya, hogy nehezen szabályozható, viszont nagy tehetetlensége miatt jelentősen csillapítja a rendszert érő hőterhelések hatását.
A szellőzést a keleti vagy nyugati oldalon elhelyezett ablak biztosítja, a bejárat is szintén itt található.
Felépítés, anyagok
A ház alapja beton vagy tégla, körben szigeteléssel és párazáró réteggel van ellátva. Váza készülhet újrahasznosított faanyagból, zártszelvényből, alumíniumprofilból vagy kifejezetten erre a célra előre gyártott elemekből is. A déli felületek fedésére használható például levegőkamrás polikarbonát lemez, vagy edzett, esetleg többrétegű üvegtábla. Figyelembe kell venni az anyag fényáteresztő képességet, illetve hőszigetelésének mértékét is. Az északi, keleti és nyugati falak párazáró rétegből, szigetelésből és időjárásálló borítás ból épülnek fel. Szigetelésként használható EPS, XPS hab vagy üveggyapot is. A bejárati ajtónak és a szellőzésre szolgáló ablak(ok)nak is jól szigeteltnek kell lenniük.
Történelmi áttekintés
Az aquapónia, mint az aquakultúra és a hidropónia összekapcsolása már évtizedekkel ezelőtt is jelen volt Magyarországon, történelmi viszonylatban pedig már az aztékok is előszeretettel alkalmazták ezt a technikát 500-700 évvel ezelőtt. Mozgatható szigeteket hoztak létre, melyekre a növényeket ültették, és sekély tavakba állították őket, ahova a csatomákból kikotort anyagot is hordták. Dél-Kínában és Thaifóldön a rizsfóldeken álló sekély vizekbe telepítettek mocsári angolnát, kárászt és különböző csigákat a szerves anyagok utánpótlása érdekében. Ma már számos aquapónia található Európában, Észak- és Dél-Amerikában, Indiában, Ausztrália keleti partjain, Új-Zélandon és szerte a világon.
A növények mesterséges körülmények közötti termesztése már a Római Birodalomban felmerüit, viszont az első „modem”, üvegház jellegű passzív melegházak csak a 13. században épültek Itáliában. Ezek adtak helyet azoknak a speciális igényű növényeknek, melyeket a felfedezők a trópusokról gyűjtöttek össze. A melegház koncepciója hamarosan átterjedt Északnyugat-Európába is. Ezen korai kísérletekből származó épületek téliesítése még igen nagy munkát és energiabefektetést jelentett az embereknek. A fejlesztés tovább folytatódott, a 17. században már javult a felhasznált anyagok minősége, így az üvegé is.
A 19. században számos híres üvegház épült, mint a New York-i és londoni Kristálypalota, valamint a müncheni Üvegház. Ma a legnagyobb üvegházak Hollandiában találhatók, némelyik olyan hatalmas, hogy több ezer tonna zöldséget képes előállítani évente.
Magyarországon az aquapónia már a ′80- as években is jelen volt, viszont az első paszszív szolár üvegházzal való kombináció csak 2011 tavaszán épült meg Debrecenben. Ez az egyszerű és nagyszerű ötlet a közönség érdeklődését annyira felkeltette, hogy 2012 végére már tucatjával álltak az országban az egymástól csak kismértékben különböző rendszerek. Bár a világ más területein számos passzív szolár üvegházas aquapónia működik, az éghajlati különbözőségek miatt csak részben támaszkodhatunk az ott megszerzett tapasztalatokra.
