Barion Pixel

VGF&HKL szaklap

A napenergia hasznosítása I.

2015/7-8. lapszám | Kardos János |  2818 |

Az alábbi tartalom archív, 6 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A napenergia hasznosítása  I.

Új sorozatunkban áttekintjük a napenergia hasznosításának kezdeteitől napjainkig tartó időszakának technológiáit, törekedve arra, hogy a cikkek a szakembereknek is tartalmazzanak hasznos információkat, de megmutathatók és ajánlhatók legyenek érdeklődő végfelhasználók számára is.

A napenergia-hasznosítás története

A napenergia első technikai alkalmazása az ismert legendák alapján Arkhimédész nevéhez fűződik, aki az ókori történetírók szerint homorú fémtükrök segítségével gyújtotta fel a megszálló rómaiak hajóit. A következő nagyobb lépés a Galilei által feltalált lencse volt, amivel a napsugarak egy helyre történő koncentrálása egyszerűsödött. Ezzel már tárgyakat, folyadékokat lehetett felforrósítani.

A XIX. században már erőgépeket építettek, amelyek gőzt termeltek. Kiemelkedő egyéniség volt a francia Augustin Mouchot, aki szivattyút, gőzmotort, hűtőszekrényt hajtott, működtetett a napenergiával. 1949-ben a Pireneusokban napkohót építettek, 1973-ban pedig megépült az első szolár ház. Napelemek látják el az űrállomásokat is energiával, és manapság már MW nagyságrendű erőművek épülnek, amik a villamos hálózatra termelnek. Sok tervben szerepel a sivatagok, óceánok és a világűr felhasználása naperőművek telepítésére.

A napsugárzás jellemzői

A Nap nagyrészt plazmaállapotban lévő hidrogénből álló tömegében magfúzió, vagyis termonukleáris hőtermelés zajlik, melynek során hidrogén alakul át héliummá. A magfúzió következtében a Nap külső felületének a hőmérséklete megközelítőleg 6000 K. E rendkívül magas hőmérséklet következtében a Nap a világűr felé rövid hullámhosszú elektromágneses (részben fény) sugárzást bocsát ki. A napsugárzás teljes teljesítményéből (4×1023 kW) a földfelszínt 173×1012 kW teljesítmény éri el.

A Föld légkörének külső határára érkező napsugárzásnak csak egy része éri el a földfelszínt. A teljes mérleg szerint a napsugárzás 23%-át a légköri gázok elnyelik, hővé alakítják, 26% pedig visszaverődés és szórt sugárzás formájában a világűrbe visszasugárzódik. A földfelszínt így a napsugárzás 51%-a éri el, 33% mint közvetlen rövidhullámú sugárzás és 18% mint diffúz sugárzás. Ebből a földfelszín a napsugárzás 10%-át visszaveri, amiből 5% a légkörben elnyelődik, 5% pedig a világűrbe távozik.

Az energetikai hasznosítás szempontjából a teljes (globális) sugárzással számolunk, ami a direkt és diffúz sugárzás összege.

A napsugárzás a légkör határán az alábbi tartományokra osztható:

  • Ibolyántúli sugárzás, részaránya 9%.
  • Látható fény tartománya, részaránya 49%.
  • Nem látható infravörös (hő-) sugárzás, részaránya 42%.

Napsugárzási adatok Magyarországon

Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8 és 48,6° között található. A statisztikák szerint a napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100 óra, a vízszintes felületre érkező napsugárzás éves hőmennyisége kb. 1280 kWh/m2, a déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felületé pedig kb. 1370 kWh/m2. Magyarország egyes területei között a napsugárzás szempontjából nincsenek nagyon jelentős eltérések.

A napsugárzást hasznosító felületek tájolása

A napenergia-hasznosító berendezések elnyelő felületének elhelyezkedését az optimum közelében célszerű megválasztani. A helyzetet befolyásolják a telepítés adottságai, mint az elnyelő felület vízszintessel bezárt szöge, az elnyelő felület tájolása, a Nap azimutszöge a déli iránytól mérve, valamint a napsugárzás iránya és az elnyelő felület normálisa által bezárt szög.

Adott összefüggés révén kiszámítható a napenergia-hasznosító berendezés egy adott időszakra vonatkozó elnyelő felületének optimálist megközelítő dőlésszöge, ami például Budapest körzetére (Farkas, 1992): télen (decembertől februárig): 76,2°, nyáron (júniustól augusztusig): 18,5°, egész évben: 43,5°.

Az értékeket a telepítés körülményei (pl. épületek, fák árnyékoló hatásai) tovább módosítják. A napkollektor dőlésszögét úgy célszerű megválasztani, hogy a felhasználási időszakban optimális működést biztosítson. Lényeges, hogy az éves napsugárzási energia 60-70%-a a nyári időszakban éri a földfelszínt. Ha teljesen nyári üzemre tervezzük napkollektoros rendszerünket (medencefűtés, nyaraló használati melegvíz-ellátása stb.), akkor az optimális napkollektor dőlésszög 15 és 25° között van, mivel nyáron a nap magasabban helyezkedik el az égen. Ha a napkollektoros rendszert egész éves üzemre tervezzük (használati melegvíz-ellátás, alacsony hőmérsékletű fűtés), akkor 45 és 60° közötti napkollektor dőlésszög szolgáltatja az optimális teljesítményt. A napkollektorok függőleges helyzetben az épület déli homlokzatán is felszerelhetők, ugyanis az átmeneti időszakokban és télen a nap alacsonyabban helyezkedik el az égen, így megfelelő teljesítményt biztosítanak a függőleges déli tájolású napkollektorok is.

Passzív napenergia-hasznosítás

Passzív hasznosításkor az épület tájolása és a felhasznált építőanyagok a meghatározók. Ilyenkor az üvegházhatást használjuk ki hőtermelésre. Alapjában véve passzív napenergia-hasznosító minden olyan épület, amely környezeti adottságai, építészeti kialakítása következtében képes használni a napsugárzást, mint energiaforrást. A passzív napenergia-hasznosítás főként az átmeneti időszakokban működik, vagyis akkor, mikor a külső hőmérséklet miatt az épületen már (vagy még) hőveszteség keletkezik, de a napsugárzás még (vagy már) jelentős.

Aktív napenergia-hasznosítás

Az aktív energiatermelésnek két módja van. Az első módszer, hogy a napenergiát folyadék vagy levegő közeget áramoltató átalakító eszköz (napkollektor) révén közvetlenül hővé alakítjuk. Ebben az esetben a közeg áramoltatása külön energiát igényel. A felmelegített folyadékot leggyakrabban meleg víz előállítására használjuk fel, de egyéb technológiai célok is szóba jöhetnek, úgymint épületek, uszodák, növényházak fűtése, gyümölcsök, növények szárítása.

A begyűjtött hőenergiát legtöbbször tárolni kell. Ennek oka az, hogy az energiát akkor szeretnénk felhasználni, amikor a napenergia nem áll rendelkezésre, vagy fordítva, akkor van energiahozam, amikor nincs felhasználási igény. A hőenergiát a munkaközegtől függően tárolhatjuk. Folyadék esetén a leggyakoribb megoldás egy megfelelő méretű szigetelt tartály, levegő esetén hőtároló alkalmazása.

A másik módszer az ún. fotovillamos eszköz (PV), napelem segítségével alakítja át a nap energiáját közvetlenül villamos energiává. Az ily módon kapott alacsony egyenfeszültséggel lehet fogyasztókat (pl. világítás, szellőztetés stb.) működtetni. Szükség esetén 230 V-os váltóáramú fogyasztók is működtethetők egy inverteres egység közbeiktatásával. Az összegyűjtött energiát kémiai úton akkumulátorokban vagy más módon, például víz helyzeti energiájaként tárolják, majd azt igény esetén használják fel.

Számos esetben olyan helyen kell energiaellátást biztosítani, ahol nem áll rendelkezésre kiépített energiaszolgáltató hálózat, például tanyák esetében. Az energiaellátó hálózat kiépítésére viszont a magas bekerülési költség miatt általában nincs lehetőség. Ebben az esetben lehetséges megoldásként kínálkozik a fotovillamos rendszerek önálló vagy más, például szélgenerátoros vagy dízelmotoros áramfejlesztővel kombinált, ún. hibrid rendszer alkalmazása.

Az aktív termikus hasznosítás eszközei

Az aktív napenergia-hasznosítás a természetes napsugárzást használja fel gépészeti eszközök segítségével. A beavatkozás eszközei kétfélék lehetnek:

  • a beérkező sugárzást optikai eszközök megsokszorozzák,
  • a keletkező hőmérsékletet a hasznosító berendezések megfelelően kialakított hőtechnikai paraméterei növelik.

Napkollektorok

A folyadék munkaközegű kollektoroknak két fő típusát különböztetjük meg:

  • síkkollektorok,
  • vákuumcsöves kollektorok.

Síkkollektorok

A síkkollektor lényege, hogy felülete a ráeső napsugárzást elnyeli, mind a közvetlen (direkt), mind a szórt (diffúz) napsugárzást. Ez a napenergia a napkollektor legfontosabb elemének, az abszorbernek a segítségével alakítható át hőenergiává, ami a kollektorház belsejében található. Az abszorber elnyeli a napenergiát, és hő formájában átadja azt egy fagyálló folyadéknak, amely a rendszer csöveiben kering. Gyakorlatilag a kollektor hatásfoka, azaz hőtermelő képessége az abszorber minőségén múlik, ezért az abszorbert ún. szelektív bevonattal látják el, mely elnyeli a rövid hullámhosszú napsugárzást, míg saját hosszú hullámhosszú sugárzását visszaveri, ezzel biztosítva a sugárzási veszteség minimalizálását.

A napkollektor által felmelegített hőközvetítő közeg (fagyálló folyadék) a csőrendszeren keresztül jut el egy melegvíztartályhoz, puffertartályhoz vagy önálló hőcserélőhöz, ahol átadja a hőt a fűtendő folyadéknak.

A síkkollektor üzemi hőmérséklete elérheti a 120 °C-ot is. A kollektorház alján és oldalán elhelyezett hőszigetelés csökkenti minimálisra a hőveszteséget. A síkkollektor felülete speciális, edzett, antireflexiós üvegből készül, amely szintén minimalizálja az energiaveszteséget, valamint ellenáll az időjárás viszontagságainak (a jégesőnek is).

Vákuumcsöves kollektor

A vákuumcső működési elve jelentősen eltér a síkkollektorétól. Legfontosabb eleme egy belső, néhány csepp folyadékkal töltött légüres cső (fűtőcső), amelyet hőelnyelő bevonattal látnak el. A ferdén elhelyezett csőben a folyadék a cső aljára gyűlik. A napsugárzás hatására a cső kezd felmelegedni, a folyadék elpárolog, a meleg gőz a cső tetejébe áramlik. Ott egy „hűtőfejben” a meleg gőz átadja a hő egy részét a hidegebb hűtőközegnek, majd eközben kihűl és lecsapódik, majd lecsurog a cső aljába. A folyamat addig folytatódik, amíg a lenti folyadék párologni tud, és a csőfejben a gőz lehűl és lecsapódik. Ha véletlenül megszűnik a fej hűtése (pl. leáll a hűtőfolyadék keringtetése), akkor a cső felmelegszik, nem lesz benne folyadék, csak gáz, az egyensúly több száz 0C-on áll be. Ez a magas hőmérséklet igénybe veszi a forrasztásokat, illesztéseket, a hőtágulás miatt a teljes kollektort.

A forró belső csövet – hogy a környezeti levegő ne hűtse – egy külső üvegcsőbe helyezik, és a két cső közötti légréteget kiszivaty-tyúzzák. A légüres tér, a vákuum elszigeteli a belső forró csövet, innen az elnevezés is.

Hőhordozó közeg

Az alkalmazott hőhordozók szerint a szolár berendezések folyadékosak vagy levegősök lehetnek. Folyadék esetén legtöbbször fagyálló keveréket használunk, de lehet még a közeg víz vagy speciális olaj is. A hőhordozó közeget több szempont alapján – hőtechnikai tulajdonságok és a fogyasztás igényei szerint – kell megválasztani.

A víz és fagyálló keverékének fajhője nagy, ezért a szállítandó folyadékáram kicsi, folyadékoldalon nagy a hőátadás, ami a szerkezetek kialakítását megkönnyíti, megfelelő szerkezetekkel megoldható a közvetlen felhasználás. Hátránya a fagyás, illetve felforrás veszélye, a nagyobb korróziós veszély, és a tömítettség igénye.

A levegő hőhordozó kisebb fajhője miatt, azonos beérkező sugárzás mellett magasabb véghőmérsékletre melegszik az elnyelőben, a tömegre vonatkoztatott hőszállítása kisebb, de térfogata lényegesen nagyobb, ami a vezetékek keresztmetszetét növeli. Az elnyelőben a hőátadási adottságok nagyságrendekkel gyengébbek, ezért speciálisan kialakított szerkezet szükséges. Előnye azonban, hogy nincs forrás-, illetve fagyásveszély, a rendszerben a tömítés egyszerűen megoldható.

Tárolók

A szoláris rendszerek igen fontos eleme a tároló. A rendszer megfelelő működését nagyban befolyásolja a tároló típusának, méretének helyes megválasztása. Tároló alkalmazása azért szükséges, mert a napsütés időtartama az időjárástól függően változik, és ez általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. Például a használati meleg vizet napközben termeljük, a fogyasztás pedig általában este és reggel történik, ezért a napközben előállított meleg vizet tárolni kell a napsütésmentes időszakra.

A tárolókat általában a napi energiamennyiségre szokás méretezni, de nagyobb rendszereknél hosszabb időre – több napra, szezonra – is alkalmaznak nagyméretű tárolókat.

A hő tárolására legtöbbször vizet használnak, hosszabb idejű, szezonális tárolásnál a föld kiegyenlített hőtároló képességét is kihasználják. Ekkor a föld alatti üregekbe, járatokba bevezetik a felmelegedett folyadékot vagy levegőt, amely a járatokon áthaladva a hőt leadja, a környező talaj pedig a felvett hőt hosszú ideig képes tárolni.

A használati melegvíz-készítő napenergia-hasznosító rendszerekben alkalmazott tárolók két lényeges jellemzőben térnek el az épületgépészetben általánosan használt tárolóktól:

  • fajlagos térfogatuk nagyobb,
  • egy vagy több belső hőcserélővel, elektromos fűtőpatronnal is el vannak látva.

Működtető szerkezetek

A működtető szerkezetek, a keringtetés és biztosítás elemei nagyrészt megegyeznek az épületgépészetben használt, szokványos eszközökkel.

A keringtetést a hőhordozó közegtől függően szivattyúk vagy ventilátorok oldják meg. Víz vagy fagyálló folyadék esetén a fűtéstechnikában használt szivattyúkat alkalmazunk, levegő hőhordozó esetében általában az axiálventilátorok a megfelelők. A modern szivattyúk rendelkeznek fokozatszabályozóval, amivel a szivattyú fordulatszámát tudjuk beállítani (többnyire 3-4 fokozat). A teljesítménnyel együtt az áramfogyasztás is változik. A fordulatszám-szabályozás lehetővé teszi, hogy a szivattyút pontosabban hozzá tudjuk igazítani a ténylegesen szükséges teljesítményhez.

A biztonsági szerelvények megakadályozzák, hogy a berendezésekben káros túlnyomás keletkezzen, erre alkalmas a biztonsági lefúvató szelep és a zárt vagy nyitott tágulási tartály, amely a hőmérsékletkülönbségekből származó hőtágulást képes felvenni.

A biztonsági elemekhez tartozik a rendszer magas pontjain elhelyezkedő légtelenítő szelep, amely az üzembiztonságot és az egyenletes keringést biztosítja. A működtető berendezések közé kell sorolni a további szerelvényeket is, amelyek a megfelelő üzemeléshez szükségesek, ilyenek az egyirányú áramlást biztosító visszacsapó, áramláskorlátozó szerelvények, a töltés és ürítés szerelvényei, valamint a helyesen kialakított és hőszigetelt összekötő csővezeték.

Szabályozás

A szabályozás feladata a rendszer üzembiztos működtetése a napsugárzási viszonyok figyelembevételével. A legegyszerűbb szabályozó berendezés a napkollektorban áramló felmelegített közeg hőmérsékletét érzékeli, és ezt összehasonlítja a tárolóban lévő hőmérsékletével. Ha a kollektorban magasabb a hőmérséklet, mint a tárolóban, akkor a keringtető szivattyú működik, ha alacsonyabb, nem működik. Levegős rendszereknél az összehasonlítás a fűtendő légtér vagy szintén a tároló hőmérsékletével történik, és a ventilátor üzemét szabályozza.

A szivattyú indításán és leállításán kívül a szabályozó eszközök tartalmaznak még további elemeket is, például kézi vagy automatikus üzemmódváltási lehetőséget, hálózati csatlakozás kapcsolóját, üzemmód- és hőmérséklet-kijelzőt. Nagyobb rendszerekben általában több tárolót és külső hőcserélőket alkalmaznak. Ekkor a szabályozónak a kollektorköri szivattyúkon kívül a szekunderköri szivattyúk működését is irányítania kell. Medencefűtés esetén a szabályozónak együtt kell kapcsolnia a kollektorköri és a vízforgató szivattyút.

Nagyobb, összetett rendszerekhez általában programozható, mikroprocesszoros szabályozókat alkalmaznak. Ezek lehetővé teszik a kollektoros fűtésen kívül a rendszer hagyományos fűtésének irányítását is.

Technológiai meleg víz készítése napkollektoros berendezéssel

A szoláris termikus rendszereket a családi házakban leginkább a használati meleg víz (HMV) előállítására használják. A meleg-víztermelő rendszer egy napkollektorból, tárolóból és egy szivattyúegységből áll. A rendszer elemeit csővezetékkel kötjük össze, és az így kapott zárt rendszert fagyálló folyadékkal töltjük fel. A napkollektor a napsugárzásból eredő hőt hasznosítja, melyet átad a fagyálló folyadéknak. A fagyálló folyadékot a beépített szivattyú keringteti a rendszerben. A felmelegített fagyálló folyadék a tárolóban lévő hőcserélőn át melegíti fel a használati vizet.

Fűtéskiegészítés napkollektoros berendezéssel

A kombinált rendszerek melegvíz-előállításra és fűtésrásegítésre alkalmasak. A napkollektor által felmelegített fűtési vízzel átmeneti időszakokban biztosíthatjuk az épület fűtését. A napkollektoros rendszereket hatékony fűtésrásegítésre jól szigetelt épületeknél és alacsony hőmérsékletű fűtési rendszereknél (padló-, illetve falfűtés) lehet használni.

Úszómedencék vízmelegítése

Nyári napsütés mellett tudjuk a leghatékonyabban kihasználni a napkollektoros rendszerünket, ha van olyan berendezésünk, amely nyáron is fűtést igényel. Erre a legjobb példa a medence. Azokon a helyeken, ahol fűtésrásegítést terveznek, ott a nyári időszakban a nagy kollektorfelületekben jelentős kiaknázatlan energiák keletkeznek. Ennek egy hatékony felhasználási módja, ha nyári időszakban, amikor nem kell fűtés, a fűtésrásegítésre tervezett napkollekto- rok a medence vizét fűtik. A napkollektoros rendszer alkalmazásával a Napból ingyen érkező hőt a medencénk fűtésére használhatjuk. (Folytatjuk)


Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem