1 / 57

Nap, mint energiaforrás

Nap, mint energiaforrás. Napsugárzás felhasználási lehetőségei. A napenergia a legnagyobb mennyiségben és szinte állandóan rendelkezésre álló megújuló energiaforrás. A Nap sugárzásából származó energia közvetlen felhasználásának módjai már az ókorban is ismertek voltak.

langer
Download Presentation

Nap, mint energiaforrás

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Nap, mint energiaforrás Napsugárzás felhasználási lehetőségei

  2. A napenergia a legnagyobb mennyiségben és szinte állandóan rendelkezésre álló megújuló energiaforrás. A Nap sugárzásából származó energia közvetlen felhasználásának módjai már az ókorban is ismertek voltak. • A Nap sugárzó teljesítményének a Földet elérő része mintegy 173×1012 kW, ami több ezerszer meghaladja az emberiség jelenlegi energiaszükségleteit. • A napsugárzás átlagos intenzitási értéke 1352 kW/m2 (napállandó). A Föld légkörén a napsugárzás egyre része megtörik, és szórt sugárzás jön létre. Az energetikai hasznosítás szempontjából mind a szórt, mind a Földet közvetlenül elérő (direkt) sugárzás figyelembe vehető (globálsugárzás).

  3. Mi indokolja a napenergia hasznosítását? • Korlátlan mennyiségben rendelkezésre álló, ingyenes energiaforrás kihasználása. • Környezetszennyezés csökkentése, az üvegházi gázok kibocsátásának mérséklése (széndioxid kvóta értékesítéséből származó bevételek „visszaforgatása”). • A hagyományos, fosszilis energiahordozók csökkenő mennyisége és növekvő ára. • Az energiaimporttól való függőség csökkentése (Magyarországon kb. 80%!). • Fenntartható fejlődés biztosítása ( a jelenlegi energiaszükségletek oly módon történő biztosítása, hogy az a jövő nemzedék energiaellátását ne veszélyeztesse). • Munkahelyteremtés.

  4. Napenergia hasznosítása Passzív hasznosítás: • Az épületek fűtési költségeinek csökkentése érdekében nagy figyelmet kell fordítani az épület tájolására, külső és belső szerkezeteinek, üvegezési arányainak megfelelő kialakítására (üvegházak, energiagyűjtő falak alkalmazása). Aktív hasznosítás • Fototermikus: napkollektoron keresztül levegőt vagy folyadékot áramoltatunk , amit a nap felmelegít. A felmelegített folyadékot meleg víz előállításra vagy kiegészítő fűtésre használhatjuk fel. • Fotovillamos: napelem segítségével a napsugárzás energiáját közvetlenül átalakítjuk villamos energiává.

  5. Napenergia hasznosítása Területei: • Lakosság • Mezőgazdaság • Ipar • Szolgáltatás • Közintézmények Módjai: • Használati meleg víz előállítása • Fűtés, hűtés • Villamos energia előállítása • Medencék vizének temperálása • Szárítás, aszalás

  6. Új technológia? • Az 1860-as években a tengeri kábelek hibáinak keresésére próbáltak újfajta eljárásokat kifejleszteni, ennek során a kristályos szelénnel végzett kísérletek alkalmával egy új jelenséget figyeltek meg, amely később a fotovoltaikus elektromosság elnevezést kapta (és lényegében ez a napelem működési alapelve). • A folyamat pontos leírását Albert Einstein 1905-ben teszi közé fotoelektronikus effektus néven, amiért 1921-ben Nobel díjjal jutalmazzák. • Az első működő napelemet 1885-ben Charles Fritts készítette New Yorkban: egy táblára felvitt szelén réteget vékony és félig átlátszó aranyfilmmel vont be. • A költséges eljárások, alacsony teljesítmény, illetve más (fosszilis) energiahordozók előtérbe kerülése miatt egy időre feledésbe merült, mint lehetséges energiaforrás. • Az 1950-es években egy új anyaggal helyettesítették ez addig használt szelént. A szilícium alapú ( ún. második generációs) napelemek már hatékonyabb áram előállítást tettek lehetővé, mint elődei.

  7. Új technológia? • A 20. század második felében felgyorsult napelemek fejlesztése és elterjedése (köszönhetően az űrkutatásnak, alternatív energiaforrások iránti növekvő keresletnek, környezetvédelmi szempontok előtérbe kerülésének stb.). • Jelenleg is folynak kutatások az olcsóbb alapanyagok után, mellyel a jelenleginél magasabb hatásfokot lehet elérni. Ilyen fejlesztések például az amorf szilícium, nanokristályosszilícium, réz-indium-tellurid vagy kadmium-tellurid. Ezeknek az alapanyagoknak azonban van egy közös problémájuk, jelenleg csak alacsony hatásfokot lehet elérni velük. • A nanotechnológia kiemelt szerepet játszhat a jövőben a harmadik generációs napelemek létrehozásában, melyek alapvető jellemzői - remélhetőleg - az alacsony anyagköltségek és a magas hatásfok lesz.

  8. Új technológia? • A meleg vizet készítő kollektorok használata már a 19. században elterjedt az USA-ban. Az első készülékek lényegében egy feketére festett víztartályok voltak, ablaküveg mögé helyezve. • A későbbiekben felgyorsult ezen kezdetleges készülékek fejlesztése. 1891-ben jegyezték be az első ilyen témájú termék szabadalmát az USA-ban. • Az 1930-as évekre nagy mértékben elterjedt a kollektorok használata – főleg a déli államokban. Miamiban az új lakások 80 %-a fel volt szerelve napkollektorokkal. Egy egész iparág épült ki – több ezer munkahelyet teremtve – a napkollektorok gyártására. • Az 1950-es években az olcsó, fosszilis tüzelőanyagra épülő energiahálózatok megjelenésével lényegében megszűnt ez az iparág, egészen a 2000-es évekig, amikor kezdték „újra felfedezni” a megújuló energiaforrásokat.

  9. Hogyan működik a napelem? A napelem olyan berendezés, amely képes a fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítani. Fotoelektromos effektus elve (Einstein): ha egy anyagra (általában fémre) küszöbszintnél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás, esetünkben fény vetül, akkor a szóban forgó anyag felszínéről elektronok válnak ki. Ahhoz, hogy egy anyag felületéről elektron lépjen ki, az adott anyagra jellemző minimális energiára más néven kilépési munkára van szükség. Ha az anyag felszínének ütköző foton (fény részecske) energiája nagyobb, mint ez az érték, akkor elektron lép ki az anyagból.

  10. Hogyan működik a napelem? Maga a folyamat a napelem modulokban, illetve az azokat alkotó cellákban megy végbe. A fénysugárzás elmozdítja a napelem cella félvezetőjének (szilícium) elektronjait kötéseiből, a kémiai folyamatból adódóan pedig az elem diódájának anódján és katódján potenciálkülönbség keletkezik, ez pedig elektromos feszültséget gerjeszt. 1. ábra Napelemek elvi felépítése

  11. Mitől függ a napelem teljesítménye? 1. Cellák anyaga és mérete A cellák alapanyaga lehet: • Szilícium • Fém-félvezető-fémszerkezetek (festékanyaggal érzékenyített fél-oxidok) pl: kadmium-tellurid, réz-indium-tellurid • Adalékolt amorf félvezető napelem • Szerves anyagból (polimerekből) készült napelem Napjainkban a napelemek kb. 95 %-a készül szilíciumból, mivel ennek a típusnak legnagyobb a hatásfoka. Egy átlagos szilícium cella 1,5 W/100 cm2 teljesítményt ad le 0,5 V DC feszültség és 3 A áramerősség formájában egy teljes nyári napsütésnél (1000 W/ m2).

  12. Mitől függ a napelem teljesítménye? 2. A fény hullámhossza Fénynek nevezzük az elektromágneses sugárzás emberei szemmel látható részét, amely 400-800 nm hullámhosszúságú és a következő színekben látjuk őket: • 400-420 nm ibolya • 420-490 nm kék • 490-540 nm zöld • 540-640 nm sárga • 640-800 nm vörös A látható fény részaránya 49% (a többi infra vörös és ibolyántúli sugárzás). A Si napelemek leginkább a vörös és kék spektrumú fényt hasznosítják. 2. ábra A napsugárzás spektrális megoszlása

  13. Mitől függ a napelem teljesítménye? 3. A fény intenzitása 3. ábra Napsütéses órák száma 4. ábra Szórt és direkt sugárzás

  14. Mitől függ a napelem teljesítménye? Egyéb befolyásoló tényezők: • Hőmérséklet (a hőmérséklet emelkedésével csökken a hatásfok) • Napsugarak beesési szöge • Napelem tájolása és dőlési szöge (Magyarországon a déli tájolás és 40 °-os dőlés szög az ideális) • Cellák tisztasága • Éghajlati tényezők (időjárás, domborzat stb.)

  15. Hatásfok mérése Napelem hatásfoka=Pm/E×Ac Pm :fényelem által kiadott maximális teljesítmény E: napsugárzás energiája (W/m2) Ac: napelem felülete (m2) A napelem hatásfoka azt határozza meg, hogy mennyi napsugárzást alakít át elektromos árammá.

  16. Napelem típusai • Monokristályos (Si) napelem: ez a napelem a ma létező legjobb hatásfokkal bíró napelem, aminek hatásfoka 15-17% között van. A monokristályos napelem a közvetlen napfényt hasznosítja jobban, de a szórt napfényben már kevésbé hatékony. Élettartama 30 év körül van. • Polikristályos (Si) napelem: ennél a típusnál kisebb az előállítási költség, viszont a teljesítménye is valamivel kisebb, mint a monokristályos napelemé. Hatásfoka 11-13%, élettartama 25 év körül van. • Amorf (Si) vékonyrétegű napelem: a kevesebb anyagköltségnek köszönhetően ez a legolcsóbb típus, de a legkisebb teljesítményű is. Abban az esetben érdemes ezt a típust választani, ha nagyon nagy és olcsó felület áll rendelkezésre a felhelyezéshez. További előnye, hogy fényáteresztő. Hatásfoka 5-8%, élettartama kb. 10 év.

  17. Sziget üzemű napelem A sziget üzemű rendszereknél a megtermelt energiát akkumulátorokban tároljuk. Ez olyan helyeken előnyös elsősorban, ahol nincs lehetőség az áramszolgáltató hálózatára való csatlakozásra, vagy az csak nagyon nagy költségek árán építhető ki (pl: tanyák, erdészházak). Ilyenkor a napelemek által előállított áramot egy töltésszabályozón keresztül az akkumulátorokba tápláljuk, így az eltárolt áram segítségével olyan időszakokban is képesek vagyunk az energia ellátást biztosítani, amikor nem üzemelnek a napelemeink (pl.: esti időszak). Az akkumulátorokból egy inverteren keresztül jut el az áram a különböző fogyasztókhoz, ami a 12, 24 V-os egyenáramot 230 V-os váltakozó árammá alakítja át. 5.ábra Sziget üzemű rendszer

  18. Hálózati visszatáplálásos napelem A hálózati visszatáplálás lényege, hogy két irányból is lehetőségünk van áramfelvételre. Amikor üzemel a napelem, az általa termelt energiát hasznosítjuk, ha pedig ép nem üzemel (pl.: az esti órákban), akkor az áramszolgáltatótól vételezünk áramot. Ebben az esetben nem tároljuk az elemek által előállított energiát, így nincs szükségünk—az egyébként igen költséges—akkumulátorokra. Tehát ha a napelem rendszerünk többet termel, mint amit épp felhasználnánk, a többletet visszatáplálja a szolgáltató hálózatára, ha kevesebbet termel, mint amennyire épp szükségünk lenne, a hiányzó mennyiséget az áramszolgáltatótól vesszük igénybe. 6.ábra Hálózati visszatáplálás

  19. Napelemek várható teljesítménye 1 kW-os napelem rendszer várható teljesítménye Magyarországon (Szeged). Ed: Napi átlagos teljesítmény (kWh) Em: Havi átlagos teljesítmény (kWh) Hd: Napi átlagos beérkező napsugárzás mennyisége (kWh/m2) Hm: Havi átlagos beérkező napsugárzás mennyisége (kWh/m2)

  20. Hogyan működik a napkollektor? A napkollektor működésének lényege, hogy a napsugárzás energiáját hővé alakítja át. A kollektorokban egy hőabszorber anyag a Nap hőenergiáját csövekben keringélő, hőcserélő közegnek (ami általában fagyálló folyadék vagy levegő) adja át. Ha a közeg megfelelő hőmérsékletet ér el, akkor tovább adja a hőt a bojlerben tárolt víznek. A legelterjedtebbek a kis, családi ház méretű kollektoros rendszerek, amik a használati meleg víz ellátást biztosítják. Használható még fűtésrásegítésre, leginkább olyan épületeknél, ahol alacsony hőfokú fűtési rendszerek vannak pl.: padlófűtés, mennyezet- vagy falfűtés, illetve ezek kombinációja. Nagyobb felületű napkollektor rendszerek közintézmények, iskolák, panziók ellátását is képesek biztosítani.

  21. Napkollektor típusai • Síkcsöves napkollektor A napsugárzás energiáját hővé alakító abszorber lemez az aljára hegesztett csőhálózatban keringő folyadéknak adja át a hőt, ami továbbítja azt a bojlerben tárolt vízhez. Az abszorber lemezt egy üveglappal fedik le, ami - a napfényt átengedve – védi a külső környezeti hatásoktól. Élettartama kb. 20-25 év. 7. Ábra Síkcsöves napkollektor működési rajza (www.naturenergia.hu)

  22. Napkollektor típusai • Vákuumcsöves napkollektor A vákuumcsöves kollektor alapötlete a termoszüvegektől ered. A dupla üvegfal belső felére viszik fel az abszorber réteget. A külső üvegcső teljesen átlátszó. A beeső fény a belső üveg felületén hővé alakul, melyet az üvegcső belsejében elhelyezett fűtőcső továbbít a gyűjtőegységbe. Innen a rendszerben keringtetett folyadék a víztartályba szállítja az átvett hőt. A két üvegcső közötti teret vákuum tölti ki, amely a hőszigetelést biztosítja. A vákuum miatt kisebb a hő veszteség, ezért nagyobb a hatásfok, élettartam kb. 15 év. 9. Ábra Vákuumcsöves napkollektor működési rajz (www.naturenergia.hu)

  23. Napkollektor típusai • Levegős napkollektor Ennél a típusnál a közvetítő közeg a levegő. A felmelegített levegővel lehet fűteni a lakást, illetve a mezőgazdaságban alkalmas lehet a termények szárítására, aszalására. 10. Ábra Levegős napkollektor működési rajza (www.naturenergia.hu)

  24. Napkollektor típusai • Parabolás napkollektor A kollektorok egy tovább fejlesztett változata, amelyben a parabolák egy pontba fókuszálják a napsugarakat, és ebben a fókuszpontban történik a hő átadása. 11. Ábra Parabolás napkollektor Kaliforniában (www.diverziti.hu) 12. Ábra Parabolás napkollektor egy csepeli óvoda tetején (www.ujenergiak.hu) 13. Ábra Parabolás napkollektor a Mojave sivatagban (USA) (www.ujenergiak.hu)

  25. Napkollektor hatásfoka Napkollektor hatásfoka=hasznosított hőmennyiség/ napkollektor felületére érkező hőmennyiség A napkollektor hatásfoka nem állandó,pillanatnyi értéke függ a napsugárzás intenzitásától és a napkollektor és környezete hőmérsékletétől (a különböző kollektor típusok hatásfoka 20-80 % között mozog).

  26. Megújuló energia az EU-ban • Az Európa Tanács 2007-ben fogadta el az Energia és Klíma csomagot, mely szerint a végső energia felhasználásban a megújuló energiaforrások arányát 2020-ig uniós szinten 20 %-ra kell növelni (2007-ben ez az érték 8,5 %). • Magyarország vállalása 13% (jelenlegi érték 7,3 %).

  27. Megújuló energia az EU-ban

  28. Megújuló energia az EU-ban

  29. Megújuló energia az EU-ban A megújuló energiaforrások részaránya az EU-ban (2005)

  30. Megújuló energia az EU-ban

  31. Magyarország adottságai A globálsugárzás éves átlagos mértéke és havi eloszlása Magyarországon (3,6MJ/m2 =1 kWh/m2) (forrás: www.met.hu) (forrás: www.met.hu)

  32. Magyarország adottságai Napsütéses órák száma Magyarországon (/év) (forrás: www.ekh.kando.hu)

  33. Magyarország adottságai Magyarország megújuló energia potenciálja • Aktív szoláris termikus potenciál 48,815 PJ/év • Passzív szoláris termikus potenciál  37,8 PJ/év • Szoláris termikus potenciál a mezőgazdaságban  15,911 PJ/év • Szoláris fotovillamos potenciál 1749,0 PJ/év (Forrás:MTA felmérése a megújuló energiapotenciálról 2006)

  34. Magyarország adottságai Energiahordozók százalékos megoszlása Magyarországon (2005)

  35. Magyarország adottságai Megújuló energiaforrások százalékos megoszlása Magyarországon (2005)

  36. Magyarország adottságai Kisebb kapacitású berendezések felszerelése nem engedélyköteles, viszont nagyobb teljesítményű megújuló energia-erőművek létesítéséhez bonyolult, idő- és költségigényes engedélyeztetési eljárás szükséges.

  37. Magyarország adottságai Támogatási rendszerek Magyarországon: • KÁT • Pályázati források

  38. Magyarország adottságai KÁT – kötelező átvétel Célja többek között a megújuló energiaforrások használatának növelése. Ennek érdekében támogatja a megújuló energiaforrásokat és hulladékot hasznosító, illetve kapcsoltan termelő erőművek villamos áram termelését. A támogatás két részből áll: egyrészt kötelező a termelt áram átvétele, másrészt támogatott (piaci ár feletti) átvételi árat garantál a termelőknek. Napelemes rendszerek esetében a jelenlegi átvételi ár 28,72 Ft/kWh 50kVA teljesítmény felett. A kisebb „háztartási méretű kiserőművek” (pl.: egy családi házra szerelt napelem rendszer) esetében szintén kötelező az átvétel, de itt az áramszolgáltató éves szaldós elszámolást alkalmaz. A napelemek által betermelt mennyiségből levonja a háztartás által felhasznált mennyiséget. Amennyiben többet termeltek a napelemek az elhasznált mennyiségnél, akkor a szolgáltató a piaci ár 85 %-át fizeti ki érte.

  39. Magyarország adottságai Pályázati források megújuló energia hasznosítására • Vállalkozások, közintézmények részére 2013-ig évente 7,3 Mrd Ft áll rendelkezésre (KEOP), támogatási összeg aránya max. 70 %. • Magányszemélyek széndioxid kvóta értékesítéséből befolyt összeg egy részét vehetik igénybe a Zöld Beruházási Rendszer pályázatin keresztül. 2010-ben 2,4 Mrd Ft volt a felhasználható keret. A támogatás mértéke 30-60%. • A készülő Széchenyi Terv nagy hangsúlyt helyez energiatakarékosságot és a megújuló energiaforrások felhasználását elősegítő beruházások támogatására.

  40. Jövőbeni feladatok • Hatékonyabb támogatási rendszerek (rendelkezésre álló források bővítése, egyszerűsített pályázati eljárások, elnyerhető támogatási összegek növelése, kedvező hitellehetőségek). • A szükséges engedélyeztetési eljárások egyszerűsítése. • Hazai „nap-ipar” megteremtése: kutatás, fejlesztés támogatása, hazai vállalkozások támogatása, ösztönzése. • Oktatás: környezettudatosságra való nevelés, megújuló energiaforrások jelentőségének, fajtáinak, gyakorlati alkalmazhatóságának oktatása, stb. • Média: kampányok, ismeretterjesztő műsorok, kiadványok segítségével népszerűsíteni a környezetbarát technológiákat.

  41. Magyarországi példák Gödöllő – Szent István Egyetem • 9,6 kW-os összteljesítmény • Napelemek összfelülete 150 m2 • Hálózati visszacsatolás • Elsősorban oktatási és demonstrációs célra készült 14. Ábra Naperőmű Gödöllőn (forrás: www.zoldtech.hu)

  42. Magyarországi példák Hatvan (tervezett) • 500 kW-os összteljesítmény • Hálózati visszacsatolás • Pályázati forrásból megvalósuló beruházás 1000 háztartást és a helyi közintézményeket látná el villamos árammal. • A beruházást mintaprojektnek szánják, a későbbiekben egy harmincszor ekkora naperőművet építenének már befektetési céllal.

  43. Magyarországi példák Tesco (Budaörs, Pesterzsébet) Budaörs • 1030 m2 –es felületű napkollektor rendszer. • Az irodák és az áruház meleg víz ellátását és az áruházi eladótér fűtését biztosítja, illetve agy abszorpciós hűtőgéppel kiegészülve az irodák klimatizációját látja el. Pesterzsébet • 670 m2 –es felületű napelem rendszer. • Az áruház villamos energia ellátását szolgálja. • Évente 100.000 kWh energiát termel.

  44. Nemzetközi példák Sevilla, (Spanyolország) PlantaSolar 10 naperőmű • 11 megawattos erőmű 624 mozgatható tükörrel termeli a villamos energiát. • Az egyes tükrök felülete körülbelül 120 négyzetméter, mely a központi 115 méter magas toronyra irányítja a napsugárzást. A toronyban egy napenergiát felfogó készülék és egy gőzturbina található. A turbina által meghajtott generátor állítja elő az elektromos áramot. • A napenergia torony a hőt gőz formájában tartályokban tárolja 50 bar nyomáson, 285 °C-on. A gőz kicsapódik, majd amint a nyomás csökken, visszaalakul gázzá. 15. Ábra naperőmű Sevillában

  45. Nemzetközi példák Mojave sivatag (USA) Nevada SolarOne • 64 MW teljesítményű parabolacsatornás naperőmű (napkollektor rendszer). • Nagyméretű, parabola ívűre hajlított tükör segítségével fókuszálják a napfényt. A beérkező napsugárzás a tükörfelületen visszaverődik, és mindenestől a parabola képzeletbeli gyújtóvonalába koncentrálódik. A gyújtóvonalban vezeték fut végig, ami elnyeli és hővé alakítja az összegyűjtött napsugárzást, majd a keletkezett hőt a benne áramló folyadéknak adja tovább. A felhevített folyadékkal gőzt termelnek, ami egy gőzturbinát hajt meg. • A tükör parabolák egy automatikus napkövető-mechanizmus segítségével követik a Nap járását. 16. Ábra Napkollektorok a Mojave sivatagban (forrás:www.origo.hu)

  46. Alkalmazási példák Napelemes rendszerek megtervezésénél két, egymással látszólag ellentétes folyamatot kell végig gondolni ahhoz, hogy a beruházás hosszú távon is gazdaságos legyen (optimális megtérülési időt megvalósítva). I. Energiahatékonyság javítása: egyrészt a jelenlegi fogyasztók áram szükségét kell lehetőségek szerint minél alacsonyabban tartani, ami által a napelemes rendszer beruházási összege csökkenthető. Csökken a megtérülési idő!

  47. Alkalmazási példák Energiahatékonyság javítása: • Energiatakarékos háztartási gépek, asztali PC helyett laptop, stb. • Világítás áttervezése, hagyományos izzók lecserélése energiatakarékos izzókra (pl: Led világításra, amelynek minimális az áramigénye). • A különböző épületfunkciók (fűtés, hűtés, árnyékolás, világítás stb.) szabályozása épületautomatizálási rendszerekkel. • Megfelelő hőszigetelés, passzív ház (Löglen, Prokoncept).

  48. Alkalmazási példák II. A legtöbb kiadással járó épületfunkciók átállítása elektromos üzeműre: például a fűtés a rezsiköltségek 60-80 %-át adják, ezt a költséget elektromos fűtéssel – amelyhez a napelem biztosít „ingyen” áramot – mindez lecsökkenthető nullára! Nagyobb teljesítményű napelem Rezsi kiadások radikális csökkenése Csökken a megtérülési idő!

  49. Alkalmazási példák Különböző fűtési módok költség összehasonlítása megújuló energiaforrások igénybevételével és anélkül. Alapadatok

More Related