box2_09.jpg
box1_05.jpg
Napenergia
 
A napsugárzás alapjai
 
 
A napsugárzás környezetünk integrált része. Tapasztaljuk, mint fény és hő az érzékszerveinken, szemünkön és bőrünkön keresztül. Ezen érzékelhető tulajdonságai közötti összefüggés gyakran megfigyelhető a mindennapi életben: amikor sötét dolgot kiteszünk a napra, az jobban felmelegszik, mint a világos szín. A befeketített fém hőmérséklete felmehet 60 - 80 °C-ra is, amikor kihelyezzük a napra.
A napsugárzás hatásai az anyagok felületén az anyagtulajdonságok függvénye. Ha a napenergiát használjuk fel pl. vízmelegítésre akkor megfigyeléseken alapuló javaslat, hogy olyan technikai rendszerre van szükség, amelynek felülete olyan sötét amennyire csak lehetséges. Lencsével olyan magas hőmérséklet is elérhet, amely meggyújtja a papírt.
Akárhogy is, az egyszerű rendszerek tapasztalatai és alkalmazásuk nem vonzza maga után automatikusan, hogy miért a sötét dolog melegszik fel jobban a világosnál, nem szolgáltat alapot az alkalmazások megtalálására, melyik nem megfelelő a közvetlen tapasztalatszerzéshez.
A napenergia napelemekkel, szolár cellákkal történő átalakítását fotovillamos energiaátalakításnak nevezik, amelyről eddig nem volt lehetséges sugárzásfizikai tapasztalatra szert tenni és következtetést levonni a sugárzás és az anyag között.
A tudás kapcsolata az ok és következmény között természetes folyamat, ami fizikai elméletek segítségével írható le, amely egyszerű elvekkel megmagyarázva megfigyelhető hatásokat, olyanokat, mint a test hőmérsékletének növekedése a napon. A fizikai alapok, amelyek nagyon fontosak a napenergia felhasználásához a következőkben kerülnek bemutatásra egyszeren megérthető formában.
A Nap teljes tömegében gáznemű, döntő többségében plazma állapotban lévő hidrogénből álló gáztömb. Belsejében magfúzió, vagyis termonukleáris hőtermelés zajlik, melynek során hidrogén egyesül héliummá. A Nap földről látható korongja a gömb alakú naptest, ennek külső felülete az ún. fotoszféra. A fotoszféra hőmérséklete megközelítőleg 6000 K. A magas hőmérséklet következtében a Nap a hideg világűr felé rövid hullámhosszú elektromágneses (fény-) sugárzást bocsát ki. A Nap sugárzó teljesítménye 4×1023 kW, melyből a földfelszín részesedése eléri a 173×1012 kW-ot. Ezek persze emberi léptékkel nézve felfoghatatlanul nagy számok, de a földre érkező napenergia nagyságát jól jellemzi, hogy mennyisége egy óra alatt több mint amekkora az emberiség teljes éves energiafelhasználása. További biztató tény, hogy bár a Nap már 5 billió éves, az asztrofizikusok még további 5 billió éves élettartamot jósolnak neki. Úgy tűnik tehát, hogy legalábbis emberi léptékkel nézve, a Nap biztos és kimeríthetetlen energiaforrásként áll a rendelkezésünkre.
 
Sugarzas_intenzitas_IMMO_THERM.jpg
 
A légkör felső határára és a Föld felszínére érkező sugárzás spektruma
 
 
A napsugárzás legfontosabb, már a gyakorlatban is használható mérőszáma az ún. napállandó. Ez a napsugárzás teljesítményét adja meg, a földi légkör külső határán. Értéke megközelítőleg 1360 W/m2. Ez azt jelenti, hogyha a napkollektorunkat, vagy napelemünket sikerülne a légkörön kívül, a világűrben felszerelni, és mindig a nap felé forgatni, akkor a felületét folyamatosan ez a teljesítményű napsugárzás érné. Sajnos azonban egy hazai szerelőnek viszonylag kevés esélye kínálkozik arra, hogy egy ilyen szép feladattal bízzák meg. Ha viszont a napkollektort vagy a napelemet a Föld felszínén szereljük fel, akkor ez több problémát is felvet. Egyrészt a föld légkörén és a felhőzeten áthaladva gyengül a napsugárzás, másrészt, mivel a Föld forog, így a fix helyen felszerelt napkollektor, napelem felületét – évszaktól és földrajzi helytől függően – csak napi 5-10 órán keresztül éri elfogadható szögben a napsugárzás.
A légkör a földfelszínre érkező napsugárzás kiszámítható állandó, kiszámítható gyengülését okozza. Amikor a napsugárzás áthalad a földi légkörön keresztül, akkor az - mint minden anyag – elnyeléssel és visszaveréssel gyengíti a napsugárzást. Így a légkör feletti 1360 W/m2 teljesítményből a földfelszínre már csak maximum 1000 W/m2 marad. És ez is csak a déli órákban, ha teljesen derült az idő, felhők nincsenek az égen. Ha pedig borult, felhős az időjárás, akkor ez természetesen további gyengülést okoz. Vékony, szórványos felhők esetén a napsugárzás értéke 700-800 W/m2, kiterjedtebb felhők esetén már csak 500-600 W/m2, és sűrű, sötét felhőtakaró esetén akár 50-100 W/m2 értékre is lecsökken.
 
Sugarzasi_ertekek_foldfelszinen_IMMO_THERM.jpg
 
Napsugárzás értékek a Föld felszínén
 
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 statisztikák szerint a napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100 óra, a vízszintes felületre érkező napsugárzás éves hőmennyisége cca. 1280 kWh/m2, déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felületé pedig cca. 1370 kWh/m2. Magyarország egyes területei között a napsugárzás szempontjából nincsenek nagyon jelentős eltérések. A legnaposabb rész az ország középső, déli része, a legkevesebb a napsütés az északi és nyugati részen. A legnagyobb eltérés az egyes országrészek között 8% körüli.
 
A napsugárzás geometriája
 
A hasznosítható napenergia időbeli eloszlásának megértéséhez a napsugárzás geometriájának alapvető ismerete is szükséges. A legfontosabb tényt már általános iskolában is tanultuk: a Föld egyrészt a Nap körül kering, másrészt a saját tengelye körül is forog. Ez egyszerűen hangzik, az viszont kicsit bonyolítja a dolgot, hogy a Föld forgástengelye 23,5°-os szöget zár be a Nap körüli keringés tengelyével. Ezt úgy is fogalmazhatnánk, hogy a Föld a Nap körüli keringése során „imbolyog”. Ennek a következménye az, hogy a Föld egy pontjáról nézve a Nap látszólagos pályája, és így a nappalok hossza, vagyis a napsütés elméleti időtartama az év folyamán napról-napra változik. Télen alacsonyabb, nyáron magasabban pályát jár be a Nap, és így a napsütés hossza is lényegesen több nyáron, mint télen. A következő ábrán – ami szemlélteti a föld pályáját – látható az is, hogy Magyarország földrajzi szélességén a nyári delelési napmagasság 66°, míg ugyanez a legrövidebb téli napon mindössze 19°.
 
A_fold_keringesi_palyaja_a_nap_korul_IMMO_THERM.jpg
 A Föld keringési pályája a nap körül
 
A napsugárzás éves eloszlása
 
A napsugárzás, mint minden időjárási adat a borult és a derült napok véletlenszerű váltakozása miatt meglehetősen szeszélyes. Azt, hogy egy adott napon mekkora lesz a napsugárzás, nem lehet előre kiszámítani. Nyáron a napsütés értékek magasabbak, mint a téli félévben, és a derült napok gyakorisága is magasabb. Magyarországon az egyes évszakokban a következő napi sugárzásjövedelem értékekkel lehet számolni: télen 1,8 kWh/m2, tavasszal 4,6 kWh/m2, nyáron 5,5 kWh/m2, ősszel pedig 3,3 kWh/m2. Az éves napsugárzás kb. kétharmada a nyári félévben érkezik, és a téli félévre csak egyharmados rész marad.
 
 
A következő fejezetekben a napsugárzás különböző hasznosítását mutatjuk be:
 
 

 
right1_03.jpg
Energiamegtakarítás
megujulu_03.jpg
Megújuló energiák
terv_immo_uj_a_06.jpg
Pályázatok