Nap– és szélenergia felhasználásának lehetőségei

1. Nap– és szélenergia felhasználásának lehetőségei Oktatási anyag, 2004 Készítette: Dr. Kun-Szabó Tibor

2. Oktatási anyagDr. Kun-Szabó Tibor Napenergia-hasznosítás

3. Nem megújuló Szén Kőolaj Földgáz Atomenergia Fúziós energia Megújuló Napenergia Szélenergia Vízenergia Biomassza Geotermikus Energiaforrások

4. A magyar energetikai potenciál

5. Passzív hasznosítás Tornácos épületek Passzív napenergia hasznosító házak Aktív hasznosítás Napelemek Napkollektorok lefedés nélküli nemszelektív síkkollektorok nem szelektív sík-kollektorok szelektív síkkollektorok vákuumcsöves kollektorok Napenergia

6. Napsugárzás légköri eloszlása Földünket a Nap teljes energiájának csupán 0,1%-a éri el. Mégis ez az energiamennyi-ség az, ami mindenttáplál 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.

7. Napenergia eloszlása Magyarországon

8. A napelemek elmélete • A napelemek olyan félvezetőkből állnak, mint a szelén, az amorf szilícium, a szilíciumkristály, a gallium-arzenid, a réz-indiumdiszelenid vagy a kadmium-tellurid. Működésük azon alapul, hogy a fénysugárzás fotonjai a félvezető elektronjait a kötésből kimozdítják. Így elektron-lyuk párok keletkeznek. Ezek abban az esetben, ha ellentétes típusú félvezető anyag határfelületére érkeznek, kettéválnak. Az n-típusú félvezetőkben elektron-többlet, a p-típusúban elektronhiány keletkezik. A félvezetők jól vezető alaplapra szerelve és a napsugárzás felőli oldalán elektromos vezető csíkokkal ellátva, a keletkező energia elvezethető. Világos időben egy szilíciumelem kb. 0,5 V-ot, és kb. 25 mA/cm2 energiát termel, ami kb. 12-13 mW/cm2. • A napelemeket jelenleg leginkább azokon a területeken használják, ahol viszonylag kis árammennyiségre van szükség (számológép, karóra, ventilátorok stb.), vagy ahol ugyan nagyobb mennyiségű áram szükséges, de nincs lehetőség a hálózat kiépítésére, vagy nem éri meg a hálózat kiépítése (űrkutatás, fúrótornyok, világító-tornyok, távoli települések, kutatóállomások stb.).

9. Napcellás ház

10. A kollektorok elhelyezése és tájolása • A kollektorok optimális tájolása déli irányú, de ettől a felszerelési hely adottságaitól függően kis mértékben el lehet térni keleti/nyugati irányban. A déli iránytól való eltérés a hasznosított napsugárzás csökkenését eredményezi, melynek mértéke 30o eltérésig nem jelentős. Ha a keleti és nyugati tájolás között kell választani, a melegebb, délutáni léghőmérséklet és a délután kisebb valószínűséggel előforduló ködök miatt célszerűbb a nyugati tájolást választani. • A kollektorok optimális dőlésszöge a felállítási hely földrajzi fekvésétől függ, és évszakonként váltakozik. • Magyarország területén az optimális dőlésszög • egész éves üzem esetén: ~45o • májustól szeptemberig: ~30o • novembertől februárig: ~65o • Az optimális dőlésszögtől való eltérés a kollektorok teljesítményének csökkenését eredményezi. A csökkenés egész éves üzem mellett, vízszintes beépítés esetén ~20%, függőleges beépítés esetén ~35%.

11. Napsugárzást hasznosító felületek tájolása Vízszintestől-függőlegesig terjedő felületre érkező sugárzási intenzitás délben (ideális esetben) Déli iránytól való eltérés 45°-os dőlésszög esetén

12. Napkollektor háztetőre szerelve

13. 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

14. A napkollektor rendszer • Általános felépítésű napenergiával működő vízmelegítő rendszer • Részei: • Napkollektor • Víztároló tartály • Automatika • Szoláris szerelési egység • Tágulási tartály • Elektromos vízmelegítő

15. A napkollektor • szelektív bevonat (jó hatásfok) • korrózióálló szerkezeti anyagok, • zárt kollektor ház (hosszú élettartam) • 4 mm-es nagy tisztaságú üveg ( Nap • felé eső síkban) • burkolata sajtolt, korrózióálló Al-Mg • ötvözet • hátul 40 mm vastag hőszigetelt kőzet- • gyapot • abszorber lemez (rézcsőre sajtolt Al- • lamellák) és galvanizált Ni-Al2O3 • szelektív bevonat Heliostar N2L

16. Melegvíz tároló tartály EMMETI EUROPA hőcserélős, melegvizes tároló • 150 literes állótartály, • 1 acélcsőből készült, behegesztett csőkígyó • elektromos fűtőpatron • hőszigetelése 60 mm-es poliuretánhab • külső műbőr borítás • felületvédő bevonat • ACES idegenáramú anódos korrózió-védelem

17. Szoláris szerelési egység és egyéb elemek • keringető szivattyú, működtető, • ellenőrző és biztonsági • szerelvények, • konzol (tágulási tartály) • térfogatáram-mérők, légtelenítő • elemek, biztonsági szelepek, • szigetelések, • szuperzöld fagyálló, hőátadó • folyadék

18. Napkollektor automatika • a primer (szoláris) kört vezérli • keringető szivattyú be- és kikapcsolását szabályozza (T koll>Ttároló,5-15 °C)

19. Az elnyelő (abszorber) • A folyadék munkaközegű síkkollektor energiagyűjtő eleme általában jó sugárzás-elnyelő tulajdonságú lemezlap (abszorber). • Az abszorber felépíthető sík bordázatú csövekből vagy kiképezhető olyan fémlemezként, amelyre csőkígyót erősítenek. • A munkaközeg a csőben áramolva a napsugárzás hatására felmelegszik. • Bizonyos esetekben a csőjáratos lemez műanyagból is készülhet. • A lefedéssel készülő kollektorok üresjárati hőmérséklete (amikor a hőhordozó közeg nem kering) igen magas lehet, elérheti a 180-200 oC-ot is. • Ezért elnyelő lemeznek fémet célszerű alkalmazni, legtöbbször rezet vagy alumíniumot. A csővezeték általában vörösrézből készül.

20. A síkkollektor elnyelő-elemének bevonata • A síkkollektorokkal hasznosított energia mennyisége jelentős mértékben függ az elnyelő lemez tulajdonságaitól. A cél olyan elnyelő lemez kialakítása és alkalmazása, amely a nap-sugárzást közel 100%-ban elnyeli, ugyanakkor saját vissza-sugárzása minimális. • Ezt ún. szelektív bevonattal lehet elérni. Szelektív bevonatként általában galvanizálással felvitt nikkel-, vagy króm-oxidokat használnak, de lehet kapni szelektív tulajdonságokkal rendelkező festéket, ún. "szolárlakkot" is. • Kedvező hatást lehet elérni az elnyelő lemez felületének érdesítésével is. • Természetesen alkalmazhatók szelektív bevonat nélküli abszorberek is. Ezek hatásossága kisebb, de a nyári félévben kielégítően alkalmazhatók.

21. A síkkollektorok lefedése • Lényegesen befolyásolja a kollektorok hatásosságát a lefedés fényáteresztő és hőszigetelő képessége. • A kollektor gyártók általában alacsony vastartalmú, 4 mm vastag edzett biztonsági üveget alkalmaznak. • Az üveg előnye az igen jó fényáteresztő képesség és a megbízható, hosszú élettartam. Az edzett üveg a jégverésnek és a hóterhelésnek is ellenáll. • Új fejlesztés a lencsefelületű biztonsági üveg, amelynél a felszínt borító kicsiny lencsék a nagy szög alatt érkező közvetlen napsugárzást bevezetik az elnyelő fölötti térbe. • 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 mellett rövidebb az élettartama.

22. A kollektorok hőszigetelése és dobozszerkezete • A kollektorok abszorbereinek hátoldalán hőszigetelést kell alkalmazni. A hőszigetelésre szálas ásvány- vagy üveggyapotot használnak 40-80 mm vastagságban. • A dobozszerkezet (kollektorház) általában alumíniumlemezből készül. A dobozszerkezet feladata a lefedés, az abszorber, és a hőszigetelés zárt egységben tartása, a kollektor lezárása, a nedvesség bejutásának a meg-akadályozása. • Közvetlenül a tetőszerkezetbe épített kollektorok doboz nélküliek. Ezek előnye, hogy némileg olcsóbbak és kisebb a hőveszteségük. • A kollektorok általában 2 m2 körüli felülettel, kb. 1x2 m-es méretben készülnek. Nagyobb igények kielégítésére több kollektort kell alkalmazni.

23. Tárolók • Tárolót azért kell alkalmazni, mert a napsütés időtartama az évszaktól és az időjárástól függően változik, és általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. Ezért a napsütés időtartama alatt előállított hőt tárolni kell a felhasználás időszakára. • A tárolók hatásuk szerint három félék lehetnek: • rövid idejű, általában 24 órára, • közepes időtartamú, 1-4 hetes, • hosszú idejű, egész idényre. • A tárolókat töltetük szerint is osztályozhatjuk: • folyadék, • szilárd és • kémiai töltetűek.

24. Hőhordozó • A kollektorokban alkalmazott leggyakoribb hőhordozó a víz, ill. az ezzel egyenértékű fagyálló folyadék, de léteznek levegőhordozóval működő kollektorok is. • A levegőhordozós kollektorokat az amerikai földrészen alkalmazzák lakóépületek fűtésére, hazánkban főleg terményszárítókban használják. • A levegőhordozóval üzemelő kollektorok esetén az abszorber lényegesen nagyobb felületen köteles érintkeznie a hő-hordozóval, mint a folyadékos kollektor.

25. Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti a Környezetmérnöki Tanszék hallgatóit (Kiss Csaba, Major Alexandra, Orosz Tibor és Papp Henrietta) a tervezési gyakorlatok és a diplomadolgozatok készítése során elvégzett szakirodalmazási munkájukért, amelynek eredményei ebben az oktatási anyagban megjelenhettek. Köszönet illeti Vágvölgyi Gusztávot a NYTF-ról, akinek az összeállítását itt részben felhasználtuk. Dr. Kun-Szabó Tibor egyetemi docens

26. Köszönöm a figyelmet!