Nap– és szélenergia Nap– és szélenergia felhasználásának lehetőségeifelhasználásának lehetőségei

Oktatási anyag, 2004Készítette: Dr. Kun-Szabó Tibor

Oktatási anyagOktatási anyag

Dr. Kun-Szabó TiborDr. Kun-Szabó Tibor

Napenergia-hasznosításNapenergia-hasznosítás

EnergiaforrásokEnergiaforrások

Nem megújulóNem megújulóSzénSzénKKőőolajolajFöldgázFöldgázAtomenergiaAtomenergiaFúziós energiaFúziós energia

MegújulóMegújulóNapenergiaNapenergiaSzélenergiaSzélenergiaVízenergiaVízenergiaBiomasszaBiomasszaGeotermikusGeotermikus

A magyar energetikai potenciálA magyar energetikai potenciál

Energia-fajtaEnergia-fajta Vagyon, Mt (PJ/év)Vagyon, Mt (PJ/év) Termelés, Mt/év (PJ)Termelés, Mt/év (PJ) Ellátottság, évEllátottság, év

Nem megújulóNem megújuló

SzénSzén 480480 7,07,0 ~70~70

Lignit Lignit 22002200 7,67,6 ~400~400

KőolajKőolaj 1919 1,31,3 ~15~15

FöldgázFöldgáz 6060 3,03,0 ~20~20

UránércUránérc 3,43,4 2∙102∙10-5-5 Bányászat megszűntBányászat megszűnt

MegújulóMegújuló

VízenergiaVízenergia 1616 1,81,8 ----

BiomasszaBiomassza 100100 1414 ----

Nap- és szélenergiaNap- és szélenergia 1010 ~0~0 ----

NapenergiaNapenergiaPasszív hasznosításPasszív hasznosítás Tornácos épületekTornácos épületek

Passzív napenergia Passzív napenergia hasznosító házakhasznosító házak

Aktív hasznosításAktív hasznosításNapelemekNapelemek

NapkollektorokNapkollektorok lefedés nélküli nemszelektív lefedés nélküli nemszelektív

síkkollektoroksíkkollektorok nem szelektív sík-nem szelektív sík-

kollektorokkollektorok szelektív síkkollektorokszelektív síkkollektorok vákuumcsöves kollektorokvákuumcsöves kollektorok

Napsugárzás légköri eloszlásaNapsugárzás 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 Napenergia eloszlása MagyarországonMagyarországon

A napelemek elméleteA napelemek elmélete

• A napelemek olyan félvezetőkből állnak, mint a szelén, az amorf szilícium, a A napelemek olyan félvezetőkből állnak, mint a szelén, az amorf szilícium, a szilíciumkristály, a gallium-arzenid, a réz-indiumdiszelenid vagy a kadmium-szilíciumkristály, a gallium-arzenid, a réz-indiumdiszelenid vagy a kadmium-tellurid. Működésük azon alapul, hogy a fénysugárzás fotonjai a félvezető tellurid. Működésük azon alapul, hogy a fénysugárzás fotonjai a félvezető elektronjait a kötésből kimozdítják. Így elektron-lyuk párok keletkeznek. Ezek elektronjait a kötésből kimozdítják. Így elektron-lyuk párok keletkeznek. Ezek abban az esetben, ha ellentétes típusú félvezető anyag határfelületére érkeznek, abban az esetben, ha ellentétes típusú félvezető anyag határfelületére érkeznek, kettéválnak. Az n-típusú félvezetőkben elektron-többlet, a p-típusúban kettéválnak. Az n-típusú félvezetőkben elektron-többlet, a p-típusúban elektronhiány keletkezik. A félvezetők jól vezető alaplapra szerelve és a elektronhiány keletkezik. A félvezetők jól vezető alaplapra szerelve és a napsugárzás felőli oldalán elektromos vezető csíkokkal ellátva, a keletkező energia napsugárzás felőli oldalán elektromos vezető csíkokkal ellátva, a keletkező energia elvezethető. Világos időben egy szilíciumelem kb. 0,5 V-ot, és kb. 25 mA/cmelvezethető. Világos időben egy szilíciumelem kb. 0,5 V-ot, és kb. 25 mA/cm22 energiát termel, ami kb. 12-13 mW/cmenergiát termel, ami kb. 12-13 mW/cm22..

• A napelemeket jelenleg leginkább azokon a területeken használják, ahol viszonylag A napelemeket jelenleg leginkább azokon a területeken használják, ahol viszonylag kis árammennyiségre van szükség (számológép, karóra, ventilátorok stb.), vagy kis árammennyiségre van szükség (számológép, karóra, ventilátorok stb.), vagy ahol ugyan nagyobb mennyiségű áram szükséges, de nincs lehetőség a hálózat ahol ugyan nagyobb mennyiségű áram szükséges, de nincs lehetőség a hálózat kiépítésére, vagy nem éri meg a hálózat kiépítése (űrkutatás, fúrótornyok, világító-kiépítésére, vagy nem éri meg a hálózat kiépítése (űrkutatás, fúrótornyok, világító-tornyok, távoli települések, kutatóállomások stb.). tornyok, távoli települések, kutatóállomások stb.).

Napcellás házNapcellás ház

A kollektorok elhelyezése és A kollektorok elhelyezése és tájolásatájolása

• A kollektorok optimális tájolása déli irányú, de ettől a felszerelési hely A kollektorok optimális tájolása déli irányú, de ettől a felszerelési hely adottságaitól függően kis mértékben el lehet térni keleti/nyugati irányban. A déli adottságaitól függően kis mértékben el lehet térni keleti/nyugati irányban. A déli iránytól való eltérés a hasznosított napsugárzás csökkenését eredményezi, melynek iránytól való eltérés a hasznosított napsugárzás csökkenését eredményezi, melynek mértéke 30mértéke 30oo eltérésig nem jelentős. Ha a keleti és nyugati tájolás között kell eltérésig nem jelentős. Ha a keleti és nyugati tájolás között kell választani, a melegebb, délutáni léghőmérséklet és a délután kisebb választani, a melegebb, délutáni léghőmérséklet és a délután kisebb valószínűséggel előforduló ködök miatt célszerűbb a nyugati tájolást választani. valószínűséggel előforduló ködök miatt célszerűbb a nyugati tájolást választani.

• A kollektorok optimális dőlésszöge a felállítási hely földrajzi fekvésétől függ, és A kollektorok optimális dőlésszöge a felállítási hely földrajzi fekvésétől függ, és évszakonként váltakozik. évszakonként váltakozik.

• Magyarország területén az optimális dőlésszög Magyarország területén az optimális dőlésszög • egész éves üzem esetén: ~45egész éves üzem esetén: ~45oo • májustól szeptemberig: ~30májustól szeptemberig: ~30oo • novembertől februárig: ~65novembertől februárig: ~65oo

• Az optimális dőlésszögtől való eltérés a kollektorok teljesítményének csökkenését Az optimális dőlésszögtől való eltérés a kollektorok teljesítményének csökkenését eredményezi. A csökkenés egész éves üzem mellett, vízszintes beépítés esetén eredményezi. A csökkenés egész éves üzem mellett, vízszintes beépítés esetén ~20%, függőleges beépítés esetén ~35%. ~20%, függőleges beépítés esetén ~35%.

Napsugárzást hasznosító felületek Napsugárzást hasznosító felületek tájolásatájolása

Vízszintestől-függőlegesigVízszintestől-függőlegesigterjedő felületre érkező sugárzási terjedő felületre érkező sugárzási intenzitás délben (ideális esetbenintenzitás délben (ideális esetben)

Déli iránytól való eltérésDéli iránytól való eltérés45°-os dőlésszög esetén45°-os dőlésszög esetén

Napkollektor háztetőre szerelveNapkollektor 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 rendszerA napkollektor rendszerÁltalános felépítésű Általános felépítésű

napenergiával működő napenergiával működő vízmelegítő rendszervízmelegítő rendszer

Részei:Részei: NapkollektorNapkollektor Víztároló tartályVíztároló tartály AutomatikaAutomatika Szoláris szerelési egységSzoláris szerelési egység Tágulási tartályTágulási tartály Elektromos vízmelegítőElektromos vízmelegítő

A napkollektorA napkollektor• szelektív bevonat (jó hatásfok)szelektív bevonat (jó hatásfok)

• korrózióálló szerkezeti anyagok,korrózióálló szerkezeti anyagok,

• zárt kollektor ház (hosszú élettartam)zárt kollektor ház (hosszú élettartam)

• 4 mm-es nagy tisztaságú üveg ( Nap 4 mm-es nagy tisztaságú üveg ( Nap felé eső síkban)felé eső síkban)

• burkolata sajtolt, korrózióálló Al-Mg burkolata sajtolt, korrózióálló Al-Mg ötvözetötvözet

• hátul 40 mm vastag hőszigetelt kőzet- hátul 40 mm vastag hőszigetelt kőzet- gyapotgyapot

• abszorber lemez (rézcsőre sajtolt Al- abszorber lemez (rézcsőre sajtolt Al- lamellák) és galvanizált Ni-Allamellák) és galvanizált Ni-Al22OO33

szelektív bevonatszelektív bevonat

Heliostar N2LHeliostar N2L

Melegvíz tároló tartályMelegvíz tároló tartály

EMMETI EUROPAEMMETI EUROPAhőcserélős, melegvizeshőcserélős, melegvizes

tárolótároló

• 150 literes állótartály, 150 literes állótartály, • 1 acélcsőből készült, 1 acélcsőből készült,

behegesztett csőkígyóbehegesztett csőkígyó• elektromos fűtőpatronelektromos fűtőpatron• hőszigetelése 60 mm-hőszigetelése 60 mm-

es poliuretánhabes poliuretánhab• külső műbőr borításkülső műbőr borítás• felületvédő bevonatfelületvédő bevonat• ACES idegenáramú ACES idegenáramú

anódos korrózió-anódos korrózió-védelemvédelem

Szoláris szerelési egység és egyéb Szoláris szerelési egység és egyéb elemekelemek

• keringető szivattyú, keringető szivattyú, működtető, működtető, ellenőrző és biztonsági ellenőrző és biztonsági szerelvények,szerelvények,

• konzol (tágulási tartály)konzol (tágulási tartály)

• térfogatáram-mérők, térfogatáram-mérők, légtelenítő légtelenítő elemek, biztonsági szelepek, elemek, biztonsági szelepek,

• szigetelések,szigetelések,

• szuperzöld fagyálló, szuperzöld fagyálló, hőátadó hőátadó folyadékfolyadék

Napkollektor automatikaNapkollektor automatika

– a primer (szoláris) kört a primer (szoláris) kört vezérlivezérli

– keringető szivattyú be- és keringető szivattyú be- és

kikapcsolását szabályozza kikapcsolását szabályozza

(T (T kollkoll>T>Ttárolótároló,5-15 °C),5-15 °C)

Az elnyelő (abszorber)Az elnyelő (abszorber)

• A folyadék munkaközegű síkkollektor energiagyűjtő eleme általában jó A folyadék munkaközegű síkkollektor energiagyűjtő eleme általában jó sugárzás-elnyelő tulajdonságú lemezlap (abszorber).sugárzás-elnyelő tulajdonságú lemezlap (abszorber).

• Az abszorber felépíthető sík bordázatú csövekből vagy kiképezhető olyan Az abszorber felépíthető sík bordázatú csövekből vagy kiképezhető olyan

fémlemezként, amelyre csőkígyót erősítenek.fémlemezként, amelyre csőkígyót erősítenek. • A munkaközeg a csőben áramolva a napsugárzás hatására felmelegszik.A munkaközeg a csőben áramolva a napsugárzás hatására felmelegszik.• Bizonyos esetekben a csőjáratos lemez műanyagból is készülhet.Bizonyos esetekben a csőjáratos lemez műanyagból is készülhet.

• A lefedéssel készülő kollektorok üresjárati hőmérséklete (amikor a A lefedéssel készülő kollektorok üresjárati hőmérséklete (amikor a hőhordozó közeg nem kering) igen magas lehet, elérheti a 180-200 hőhordozó közeg nem kering) igen magas lehet, elérheti a 180-200 ooC-ot is.C-ot is.

• Ezért elnyelő lemeznek fémet célszerű alkalmazni, legtöbbször rezet vagy Ezért elnyelő lemeznek fémet célszerű alkalmazni, legtöbbször rezet vagy alumíniumot. A csővezeték általában vörösrézből készül. alumíniumot. A csővezeték általában vörösrézből készül.

A síkkollektor elnyelő-elemének A síkkollektor elnyelő-elemének bevonatabevonata

• A síkkollektorokkal hasznosított energia mennyisége jelentős mértékben A síkkollektorokkal hasznosított energia mennyisége jelentős mértékben függ az elnyelő lemez tulajdonságaitól. A cél olyan elnyelő lemez függ az elnyelő lemez tulajdonságaitól. A cél olyan elnyelő lemez kialakítása és alkalmazása, amely a nap-sugárzást közel 100%-ban elnyeli, kialakítása és alkalmazása, amely a nap-sugárzást közel 100%-ban elnyeli, ugyanakkor saját vissza-sugárzása minimális.ugyanakkor saját vissza-sugárzása minimális.

• Ezt ún. szelektív bevonattal lehet elérni. Szelektív bevonatként általában Ezt ún. szelektív bevonattal lehet elérni. Szelektív bevonatként általában

galvanizálással felvitt nikkel-, vagy króm-oxidokat használnak, de lehet galvanizálással felvitt nikkel-, vagy króm-oxidokat használnak, de lehet kapni szelektív tulajdonságokkal rendelkező festéket, ún. "szolárlakkot" is.kapni szelektív tulajdonságokkal rendelkező festéket, ún. "szolárlakkot" is.

• Kedvező hatást lehet elérni az elnyelő lemez felületének érdesítésével is.Kedvező hatást lehet elérni az elnyelő lemez felületének érdesítésével is.

• Természetesen alkalmazhatók szelektív bevonat nélküli abszorberek is. Természetesen alkalmazhatók szelektív bevonat nélküli abszorberek is. Ezek hatásossága kisebb, de a nyári félévben kielégítően alkalmazhatók. Ezek hatásossága kisebb, de a nyári félévben kielégítően alkalmazhatók.

A síkkollektorok lefedéseA síkkollektorok lefedése

• Lényegesen befolyásolja a kollektorok hatásosságát a lefedés fényáteresztő és Lényegesen befolyásolja a kollektorok hatásosságát a lefedés fényáteresztő és hőszigetelő képessége. hőszigetelő képessége.

• A kollektor gyártók általában alacsony vastartalmú, 4 mm vastag edzett biztonsági A kollektor gyártók általában alacsony vastartalmú, 4 mm vastag edzett biztonsági üveget alkalmaznak. üveget alkalmaznak.

• Az üveg előnye az igen jó fényáteresztő képesség és a megbízható, hosszú élettartam. Az üveg előnye az igen jó fényáteresztő képesség és a megbízható, hosszú élettartam. Az edzett üveg a jégverésnek és a hóterhelésnek is ellenáll. Az edzett üveg a jégverésnek és a hóterhelésnek is ellenáll.

• Új fejlesztés a lencsefelületű biztonsági üveg, amelynél a felszínt borító kicsiny Új fejlesztés a lencsefelületű biztonsági üveg, amelynél a felszínt borító kicsiny lencsék a nagy szög alatt érkező közvetlen napsugárzást bevezetik az elnyelő fölötti lencsék a nagy szög alatt érkező közvetlen napsugárzást bevezetik az elnyelő fölötti térbe.térbe.

• Másik lefedő lemeztípus a polikarbonát-lemez. Előnye az alacsony ár, a kis súly és a jó 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 hőszigetelő képesség. Hátránya, hogy nagy termikus igénybevétel és sugárzás-terhelés mellett rövidebb az élettartama. mellett rövidebb az élettartama.

A kollektorok hőszigetelése és A kollektorok hőszigetelése és dobozszerkezetedobozszerkezete

• A kollektorok abszorbereinek hátoldalán hőszigetelést kell alkalmazni. A A kollektorok abszorbereinek hátoldalán hőszigetelést kell alkalmazni. A hőszigetelésre szálas ásvány- vagy üveggyapotot használnak 40-80 mm hőszigetelésre szálas ásvány- vagy üveggyapotot használnak 40-80 mm vastagságban.vastagságban.

• A dobozszerkezet (kollektorház) általában alumíniumlemezből készül. A A dobozszerkezet (kollektorház) általában alumíniumlemezből készül. A dobozszerkezet feladata a lefedés, az abszorber, és a hőszigetelés zárt egységben dobozszerkezet feladata a lefedés, az abszorber, és a hőszigetelés zárt egységben tartása, a kollektor lezárása, a nedvesség bejutásának a meg-akadályozása.tartása, a kollektor lezárása, a nedvesség bejutásának a meg-akadályozása.

• Közvetlenül a tetőszerkezetbe épített kollektorok doboz nélküliek. Ezek előnye, Közvetlenül a tetőszerkezetbe épített kollektorok doboz nélküliek. Ezek előnye, hogy némileg olcsóbbak és kisebb a hőveszteségük.hogy némileg olcsóbbak és kisebb a hőveszteségük.

• A kollektorok általában 2 mA kollektorok általában 2 m22 körüli felülettel, kb. 1x2 m-es méretben készülnek. körüli felülettel, kb. 1x2 m-es méretben készülnek. Nagyobb igények kielégítésére több kollektort kell alkalmazni. Nagyobb igények kielégítésére több kollektort kell alkalmazni.

TárolókTárolók

• Tárolót azért kell alkalmazni, mert a napsütés időtartama az évszaktól és az Tárolót azért kell alkalmazni, mert a napsütés időtartama az évszaktól és az időjárástól függően változik, és általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. időjárástól függően változik, és általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. Ezért a napsütés időtartama alatt előállított hőt tárolni kell a felhasználás Ezért a napsütés időtartama alatt előállított hőt tárolni kell a felhasználás időszakára.időszakára.

• A tárolók hatásuk szerint három félék lehetnek: A tárolók hatásuk szerint három félék lehetnek: – rövid idejű, általában 24 órára,rövid idejű, általában 24 órára,– közepes időtartamú, 1-4 hetes, közepes időtartamú, 1-4 hetes, – hosszú idejű, egész idényre. hosszú idejű, egész idényre.

• A tárolókat töltetük szerint is osztályozhatjuk:A tárolókat töltetük szerint is osztályozhatjuk:– folyadék, folyadék, – szilárd ésszilárd és– kémiai töltetűek. kémiai töltetűek.

HőhordozóHőhordozó

• A kollektorokban alkalmazott leggyakoribb hőhordozó a víz, A kollektorokban alkalmazott leggyakoribb hőhordozó a víz, ill. az ezzel egyenértékű fagyálló folyadék, de léteznek ill. az ezzel egyenértékű fagyálló folyadék, de léteznek levegőhordozóval működő kollektorok is.levegőhordozóval működő kollektorok is.

• A levegőhordozós kollektorokat az amerikai földrészen A levegőhordozós kollektorokat az amerikai földrészen alkalmazzák lakóépületek fűtésére, hazánkban főleg alkalmazzák lakóépületek fűtésére, hazánkban főleg terményszárítókban használják. terményszárítókban használják.

• A levegőhordozóval üzemelő kollektorok esetén az abszorber A levegőhordozóval üzemelő kollektorok esetén az abszorber lényegesen nagyobb felületen köteles érintkeznie a hő-lényegesen nagyobb felületen köteles érintkeznie a hő-hordozóval, mint a folyadékos kollektor.hordozóval, mint a folyadékos kollektor.

Köszönet illeti a Környezetmérnöki Tanszék hallgatóit (Köszönet illeti a Környezetmérnöki Tanszék hallgatóit (Kiss Csaba, Major Alexandra, Orosz Tibor Kiss Csaba, Major Alexandra, Orosz Tibor és Papp Henrietta) és Papp Henrietta) a tervezési gyakorlatok és a diplomadolgozatok készítése során elvégzett a tervezési gyakorlatok és a diplomadolgozatok készítése során elvégzett

szakirodalmazási munkájukért, amelynek eredményei ebben az oktatási anyagban megjelenhettek. szakirodalmazási munkájukért, amelynek eredményei ebben az oktatási anyagban megjelenhettek. Köszönet illeti Köszönet illeti Vágvölgyi GusztávotVágvölgyi Gusztávot a NYTF-ról, akinek az összeállítását itt részben felhasználtuk. a NYTF-ról, akinek az összeállítását itt részben felhasználtuk.

Dr. Kun-Szabó TiborDr. Kun-Szabó Tibor egyetemi docensegyetemi docens

KöszönetnyilvánításKöszönetnyilvánítás

Köszönöm a figyelmet!