G03 el adás* A napenergia-hasznosítás alapjaifft.szie.hu/fizika/Turkalo/napenergiahaszn/G03 - A napenergia hasznositas alapjai.pdfSOLTRAIN – G03 el adás A napenergia-hasznosítás

SOLTRAIN – G03 el�adás

A napenergia-hasznosítás alapjai

* A fordítás a Soltrain projekt (4.1030/Z/02-067/2002 sz. EU Altener program) keretében, a SzIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék gondozásában készült.

G03 el�adás* A napenergia-hasznosítás alapjai

Werner Roth, Robert Kaiser* Fraunhofer Institute for Solar energia Systems ISE, Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg

Tel: +49-(0)761-4588-5227, Fax: +49-(0)761-4588-9217, E-mail: [email protected], Internet: www.ise.fraunhofer.de

*Free-lance scientist

1 Bevezetés Az energiaellátás jöv�re való hatása mindinkább vitatéma a fenyeget� globális klímaváltozás hatása ellen, amelyet nagyrészt a fosszilis tüzel�anyagok felhasználása okoz (olaj, szén, gáz). Az egyik legfontosabb feladat napjainkban ily módon a stratégiák és rendszerek fejlesztése az ökológiai szemléletek figyelembevételével történ� energiaszolgáltatás megteremtéséhez. Napjaink perspektívája, hogy a megújuló energiaforrások, mint a nap és a szél minden feltételt kielégít� alkalmazása szükséges a jöv� energiaellátásába behelyezve. Továbbá ezen energiaforrások kimerítetlenek, nem úgy, mint a fosszilis tüzel�anyagok tartalékkészleteinek kiaknázása, amelyek végesek. A napsugárzás alapvet�en különbözik a fosszilis tüzel�anyagoktól formájában és jellemz�iben is. A napsugárzás természetét meg kell ismerni, ha a napenergia-felhasználás lehet�ségeit és határait meg akarjuk érteni. A következ� fejezetek a sugárzás fizikájának lényegét vázolják fel a napenergia gyakorlati felhasználásának elméleti és szükséges összefüggéseinek tisztázásával.

2 Fizika és a mindennapi világ A napsugárzás környezetünk integrált része. Tapasztaljuk, mint fény és h� az érzékszerveinken, szemünkön és b�rünkön keresztül. Ezen érzékelhet� tulajdonságai közötti összefüggés gyakran megfigyelhet� a mindennapi életben: amikor sötét dolgot kiteszünk a napra, az jobban felmelegszik, mint a világos szín�. A befeketített fém h�mérséklete felmehet 60 - 80 °C-ra is, amikor kitesszük 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 h�mérséklet is elérhet�, amely meggyújtja a papírt. Akárhogy is, az egyszer� 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 megfelel� a közvetlen tapasztalat szerzéshez.



2

A napenergia napelemekkel, szolár cellákkal történ� átalakítását fotovillamos energiaátalakításnak nevezik, amelyr�l 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 egyszer� elvekkel megmagyaráz megfigyelhet� hatásokat, olyanokat, mint a test h�mérsékletének növekedése a napon. A fizikai alapok, amelyek nagyon fontosak a napenergia felhasználásához a következ�kben kerülnek bemutatásra egyszer�en megérthet� formában.

3 Energia és felhasználása Az energiaátalakításra vonatkozó fizikai alaptörvények érvényesek a napenergia alkalmazása esetében is. Ezek az alaptörvények a következ�k:

Az energia nem keletkezik és nem t�nik el. Az energia csak átalakul egy másikká.

Ez azt jelenti, hogy az energia nem önmagától jelentkezik „mint olyan”, hanem különböz� formákban jelen van. A h�, amely felmelegíti a napra kitett fémlemezt, olyan energiaforma, amelyet termikus energiának hívnak. Ezt az energiaátalakítási törvénnyel összevetve eredményül az energiaátalakítási folyamatot kapjuk, amely azt jelenti, hogy a napsugárzás önmagában is egy energiaforma. Az átalakulás jelensége a napsugárzás és az anyag között megy végbe. Ily módon a napsugárzási energia felhasználását a következ� egyszer� ábrával lehet szemléltetni (1.ábra).

1.ábra: A napenergia termikus hasznosítása (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Más átalakítási folyamatokat is ismerünk a termikus átalakításon kívül és ily módon ajánlhatók további lehet�ségek a napenergia hasznosítására. Az energiaelnyel� tulajdonságai határozzák meg a folyamatot és ezzel a kölcsönhatás eredményét a sugárzás és az anyag között. Erre néhány példa látható az 1.táblázatban.

Energiaelnyel� (kollektor)

átalakítás napsugárzás h�



3

1.táblázat: A napenergia hasznosítás lehet�ségei

Mint tudjuk napjainkban minden természetes folyamat az energiaátalakítás törvényének1 engedelmeskedik, amelyet szintén az energia technológiai rendszerrel történ� átalakítása határol be (pl. f�tés). A hasznosítható (h�) energia összege nem haladhatja meg a beérkez� energia összegét (amely tartalmazhat gáz és kémiai energiát is). Az úgynevezett perpetum mobile, amely több energiát szolgáltat, mint amennyit fogad, ily módon nem lehetséges.

4 A sugárzás és az anyag modellje A napenergia más energiává történ� átalakításának magyarázatához az els� modell felvázolja, melyik modern fizikai törvény használható a struktúra leírásához, illetve a test és a sugárzás tulajdonságaihoz. A következ� lépésben egy egyszer� teóriát alkalmazunk a kölcsönhatás tisztázásához, amely alátámasztja a sugárzás más energiává történ� átalakítását.

4.1 Anyag Az anyag nagyon kicsi részekb�l épül fel, ezek az atomok, amelyeket az atommag ás a körülötte bolygó pályán kering� elektronok alkotnak (2.ábra )2. Az elektronok negatív töltés�ek, az atommag pedig pozitív. Az anyag küls� megjelenése és tulajdonságai, hogy szilárd, folyadék vagy gázhalmazállapotú, határozzák meg az atommag típusát és az egyedi atomok között fellép� er�ket. A szilárd testben az atomok szorosan egymáshoz kapcsolódnak, ahol relatíve el tudnak mozdulni egymástól, az a folyadék állapot. A gázban az atomok egymástól függetlenül képesek mozogni (3.ábra).

1 Az energia koncepció természet szemszögéb�l történ� koncepcióját nem ismerték el, míg a 19. század közepén fel nem fedezték az energiamegmaradás törvényét.

2 Azt az elgondolást, hogy minden anyagot parányi részek alkotnak, el�ször egy görög bölcs, Democrites tételezte fel (ie. 400): „Csak a létez� dolgok vannak atomokból és üres helyekb�l”. A modern fogalma az atomi struktúrának egy Új Zélandi fizikus, E. Rutherford által lett megfogalmazva e század elején (1911). Az atomok oszthatatlanságát a radioaktivitás felfedezésével el kellett vetni.

Napsugárzást elnyel� Átalakítja Energia fajta

fekete fém h� h�energia

növény biomassza kémiai energia

fotovillamos cella elektromosság elektromos energia

napkollektor h� H�energia



4

2.ábra: Atomi modell (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

3.ábra: Halmazállapotok (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

4.2 Sugárzás Az anyagok és a sugárzás közötti kölcsönhatás megértéséhez a legmegfelel�bb modell, amely a sugárzást részecske áramlásnak tekinti.3. Ezekeket a „fény részecskéket” amelyeket fotonoknak hívnak (a görög phos szóból, amely fényt jelent) a következ� tulajdonságok jellemzik

• A foton oszthatatlan, csak keletkezni tud vagy teljesen elnyel�dni.

• Minden foton hordoz magában egy mennyiséget az energia mennyiséget. Ezt fénykvantumnak hívják (lat. quantum - teljes).

3 A fény, mint részecske áramlás értelmezése eredetileg Max Plancktól (1900) és Albert Einsteint�l (1905) származik, akik fizikai Nóbel díjat kaptak a teóriájukért. Ez egy új fogalma a fény jelenségének, a fény hullámelméletének komoly kihívást jelentett, amely addig nagyon sikeres volt. A dán fizikus, Niels Bohr, jelent�sen hozzájárult az ellentmondás eredményeihez a teória formalizált kiegészítésével. A kiegészít� elv alapja, hogy mikroszkopikus fizikai rendszereket csak kölcsönösen egymást kizáró modellekkel tudja leírni (amely a klasszikus fizikából és a makroszkopikus világból származik). Ily módon a makroszkopikus szint a szerkezetek alapjaiul szolgál, amiket megismertünk a makroszkopikus világból és nem pedig miniatürizáltak.

atommag elektronok

szilárd folyadék gáz



5

• Amikor az összes fotonnak ugyanaz a energiája, akkor a sugárzás intenzitását a fotonok száma határozza meg (4.ábra).

4.ábra: A sugárzás intenzitása (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A fotonokat az elemi részecskékt�l az különbözteti meg, hogy nem alkotnak anyagot. Mindazonáltal "elemi részecskének" hívják, mert a fotonok számos esetben úgy viselkednek, mint az elemi részecskék. A fotonok legjobb meghatározása a „hullámcsomag”. Ett�l függ a fotonok frekvenciája ν az energia mennyisége E = hν. (h Plank állandó). Amikor ezek nekiütköznek az anyagnak, akkor impulzusátadás megy végbe, amely szintén energia (mint ahogy egy biliárdgolyó nekimegy a másiknak). A fotonok egyedi energiája közvetlen tükrözi a jellemz�it, nevezetesen a foton hullámhosszát. Amennyiben rövidebb a foton hullámhossza nagyobb az energia4. A napsugárzás különböz� foton energiákból áll. A fotonok hullámhossz vagy energiájuk szerinti eloszlását spektrumnak nevezzük. A görbe egy adott pontban lév� értéke a fotonok által a „foton keverékhez” adott energia hányada. Az emberi szem csak a látható fény tartományát észleli (5.ábra). A fotonok által adott hullámhossz vagy energia határozza meg a színt amikor a fotonok kölcsönhatásba kerülnek a fogadó cellákkal a szemben, minden hullámhossz vagy energiaértékhez tartozik egy bizonyos szín5 (6.ábra).

4 A hullámhossz a nanométerek egységéb�l adódik [nm]; 1 nm egy milliomod milliméter. Alapjaiban a hullámhossz sugárzásra használatos jellemz�. Mivel csak egy részét vizsgáltuk a sugárzási modellnek, a fotonok csak az energiájuk által vannak meghatározva a következ� részben. 5 A világosság szubjektív hatása nem a sugárzás intenzitásának precíziós mérése, mint ahogy a szem érzékel� cellái megkülönböztetik a különböz� színeket

intenzitás magas alacsony



6

infravörösláthatóultraibolya

Spektrum AM 0

Spektrum AM 1,5

kis energiájúfotonok

nagy energiájúfotonok

Bes

ugár

zás

inte

nzitá

s[W

m-2

] infravörösláthatóultraibolya

Spektrum AM 0

Spektrum AM 1,5

kis energiájúfotonok

nagy energiájúfotonok

Bes

ugár

zás

inte

nzitá

s[W

m-2

]

Hullámhossz [µµµµm]

5.ábra: Napsugárzás spektruma (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

6.ábra: A szolár spektrum látható tartományának színei (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Amikor a napfény keresztülmegy a prizmán, az szétbomlik különböz� színkomponensekre. A szivárvány színei is ugyanazok; ebben az esetben az es�cseppek képezik a prizmát. A rövid hullámhosszú vagy magas energiájú fotonok az ibolyától a kék tartományba tartoznak, a hosszú hullámhossz pedig a vörös tartományban van. A tiszta színek behatárolt energiatartományú fotonokból állnak, így a spektrum egy a színhez tartozó vonalat tartalmaz (7.ábra).

hullámhossz [nm]

ibolya kék zöld sárga vörös



7

7.ábra: Egy színes fény spektruma (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A szolár spektrum láthatóenergia tartománya feletti része az ultraviola tartomány (UV). Az emberi szem nem képes az UV sugárzást érzékelni. (A méhek szeme elég érzékeny az UV spektrum érzékeléséhez.) Az alacsonyabb energiájú fotonok sugárzását infravörösnek nevezik (IR), amelyet mint h� tapasztalhatunk a b�rünkkel.

4.3 H� Az energia eredeti termikus formáját másképpen egyszer�en h�nek nevezik, amely az atomok mikroszkopikus mozgásából adódik. A szilárd anyagban az atomok nem teljesen, de folyamatosan kis oszcillációs mozgást folytatnak átlagos helyük körül. Az atomok kinetikai energiájának mérése a h�mérsékletmérés. Az anyag magasabb h�mérséklete jelent�sen növeli az atomok mozgását6. Amikor az anyag felmelegszik, a bejöv� energia által az atomi mozgás megn� (8.ábra).

6 A h� mikroszkopikus fizikájának teóriája L. Boltzmann és J.C. Maxwell által lett kifejlesztve a tizenkilencedik század második felében.

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

inte

nzitá

s

sárg

a



8

8.ábra: A termikus energia hatása az atomok mozgására az anyagban (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Ha még nagyobb energiát közlünk az anyaggal az megolvad, az egyes atomok mozgása megn� ezzel kiszakadva a rácsszerkezetb�l, az atomok szétesnek. A gáznem� állapotban az atomok mozgása független egymástól.

5 Az anyag és a sugárzás kölcsönhatása A kölcsönhatás folyamatát a sugárzás és az anyag között a bemutatott modell segítségével lehet megérteni. A fotonok és az atomok közötti kölcsönhatásnak egyetlen útja lehetséges a 4.2. fejezetben megismert foton jellemz�k ismeretében. Vagy a foton átadja energiáját az atomoknak teljes mértékben, avagy egyáltalán nem ad át energiát. Ha a foton energia átadás megtörtént, a foton nem létezik többé. Minden megfigyelés ezzel az egyszer� folyamattal magyarázható. Ez alapul szolgál a megfigyelt jelenség csoportosítására (9.ábra), tekintet nélkül a foton és az anyag egyéb tulajdonságaira. A teljes energia átadást a fotontól az anyagig abszorpciónak nevezik. Amikor a foton nem semmisül meg, akkor a kölcsönhatás 3 típusát különböztethetjük meg:

• A foton keresztülmegy az anyagon (transzmisszió)

• A foton visszaver�dik az anyag felületér�l (reflekszió)

• Bizonyos frekvenciájú foton abszorbeálódik, más kisebb frekvenciájú, pedig kibocsátásra kerül (diffúz reflekszió / szóródás).

Ha a foton tetsz�leges irányban halad át vagy reflektálódik, amely nem feltétlenül egyezik a beérkezési iránnyal, akkor szóródásról beszélhetünk.(pl. a fény nyaláb szóródik a durva felületen, amíg egy tükrön egy irányba verer�dik vissza).

Lassú mozgás: mozgás: hideg szilárd test

Intenzív forró szilárd test



9

9.ábra: Az anyag és a foton kölcsönhatásainak típusai (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Ezzel az osztályozással lehetséges a fény hasznosíthatóságának közelítése, de ez még nem teljes, ismerni kell a tárgyak fényessége és felmelegedése közötti összefüggést (2.táblázat).

2.táblázat: Összefüggés a tárgyak fényessége és felmelegedése között

Mindazonáltal választ kapni arra a kérdésre, hogy adott szín� anyag mennyire fog felmelegedni a napon, még mindig nem lehetséges. Azért, hogy ennek a jelenségnek meg tudjuk határozni az ok és okozati hatását, ehhez ismét vissza kell térni az anyag atomi szerkezetéhez és a foton energiájához. El�ször meg kell vizsgálni, hogyan keletkezik a testnek színhatása. Majd tisztázni kell az összefüggést az érzékelhet� megfigyelés és az ezt alátámasztó fizikai folyamatok között.

Meg kell vizsgálni a sugárzás különböz� színeinek hatását, a spektrális tartományban a retinára, amelynek érzékel� cellái vesznek részt a folyamatban, amikor a fény szemünkbe jut. Bármennyire is az eredményekb�l kijelenthet�, hogy a „A gyertya lángja sárga” és „A gyertya sárga” megállapíthatás két teljesen különböz� jelenség. Az els� megállapításban a gyertya lángjában a foton forrás az energiatartomány, amely a „sárga” jelenséget idézi el� amikor a fotonok találkoznak a retinán. Ezzel szemben a gyertya „sárga” színjelensége abból a tényb�l következik, hogy a meghatározott energiájú fotonok ver�dnek vissza (vagy szóródnak) a gyertyáról, amig mások nem.

foton kölcsönhatás

elt�nik Elnyelés (abszorpció)

megmarad

áthaladás

visszaver�dés

szóródás

szín kölcsönhatás energia átadás

fehér Visszaver�dés a domináns csekély

szürke Visszaver�dés és elnyelés közepes

fekete Elnyelés a domináns nagymérv�



10

Egy test olyan szín�, amilyen spektrális tartományú fény ver�dik vissza, amikor ráesik. A sárga gyertya fekete lehetne, ha kéken világítana. A test színhatása ily módon az atomi összetétel jellemzésével és a fényforrás spektrumával is meghatározható7. A lehet�ség a fotonok kölcsönhatására csak azokra áll fenn, amelyek nem ver�dnek vissza a testr�l. Azok megfelelnek az energiaspektrum azon részének, amelyek automatikusan abszorbeálódnak (mint ahogy a gyertya a példában nem átlátszó), azaz energiájuk átadódik az anyagnak. A szolár spektrumnak ez csak egy része, amely érzékelhet� a szem által, a színek hatása nem ad megfelel� alapot a spektrum látható tartománya sugárzási hatásának meghatározásához. Egy test, amelyik feketének látszik az a teljes látható fény tartományából kell, hogy elnyelje a fotonokat, de ez nem szükségszer�en igaz más tartományra is. Ellenben a fehér test „feketének” is t�nhet a nem látható sugárzás és elnyelés következtében (pl. a fehér festék visszaveri a fényt, de elnyeli az infra sugárzást). Az el�z�eket figyelembe véve a napenergia gyakorlati alkalmazásai el�nyeinek meghatározásához szükséges fogalmak, amelyek pontosan jellemzik az elnyelés anyagi tulajdonságait és alkalmazásukat a teljes szolár spektrumon8 (3.táblázat).

3.táblázat: Különböz� anyagok abszorpciós tulajdonságai

.

Az elnyelés vagy visszaver�dés fogalma meghatározza a kölcsönhatás folyamatát a sugárzás tekintetében, de nem nyújt semmilyen információt az okokról, sem ezek változásait nem jelzik, amely az elnyel�dés alatt jelentkeznek. A kölcsönhatások egyes részei, amelyek az anyagátmenetek meghatározásából adódnak az atomi struktúra által; akárhogy is ezek az összefüggések nem magyarázzák meg kell� mértékben a modell által bemutatottakat. Az energiatranszfer hatásainak összefüggéseihez a következ� eseteket tudjuk megkülönböztetni a vizsgálat keretein belül:

(I) Az energia átadás az anyagokban növeli az atomok kinetikus energiáját. Ez a növekedés a bels� energianövekedést jelent, ami a szilárd test h�mérséklet-emelkedését váltja ki (lásd a 4.3.-as részt).

7 A következ� elgondolásban a a sugárzási forrásnak mindig a napot feltételezzük 8 Ki kell hangsúlyozni, hogy ezen kritériumok megértéséhez az anyagok csak egzakt mérések alapján vannak osztályozva és nem pedig „felépítésük szerint”.

elnevezés meghatározás

fekete A teljes spektrum fotonjainak elnyelése

fehér Teljes visszatükrözés

szürke Egységes, de nem teljes elnyelése a fotonoknak

szelektív

Bizonyos spektrumtartományok fotonjainak elnyelése, a spektrum más tartományába es� fotonok

visszatükrözése vagy átengedése. Az összes színes test szelektív elnyel�.



11

Az abszorpciós folyamat alatt a sugárzó energia h�vé alakul. Az egyes fotonok energiája az ultraibolya és a látható spektrum tartományából magasabb, mint az infravörös tartomány fotonjaié, az infravörös tartomány szintén fontos a termikus alkalmazásokban, mint jelent�s hányada (kb. 35-40 %) a teljes szoláris energia tartománynak. (II) Az energia átadás változást okoz az atom bels� állapotában. Ideális esetben a küls� állapot, azaz az atom kinetikai energiája változatlan marad. Ez a folyamat szolgál alapul a napsugárzás szolár cellákkal történ� átalakításához. Ekkor a foton energiája kiüt egy elektront az atomból, ami ezáltal szabaddá válik, ez az úgynevezett szabad töltéshordozó, amely létrehozza az villamos áramot. Választ tudunk adni a testek felmelegedésének különböz� kezdeti magatartásbeli kérdésére:

A test h�mérséklete az elnyelés és a sávszélesség értékének arányában növekszik, attól függ�en, hogy a test mekkora sávszélességet képes elnyelni nap spektrumából.

A napenergia h�vé alakításe egy jelenség, mely megfigyelhet� a gyakorlatban minden anyagi test esetében, és amelyet relatíve egyszer� technikailag használni. Ezzel szemben a (II) folyamat speciális anyagszerkezetet igényel. Ilyen követelményeket kell teljesíteni az érzékel� cellák szerkezetének a retinában; a növény növekedésének napfény hasznosítása szintén az abszorció ezen típusa9.

6 Napsugárzás a Föld felszínén Azonkívül, hogy megértsük a sugárzás fizikai tulajdonságait, fontos ismerni a mennyiségét és a Föld felszínére való beesését a napenergia gyakorlati alkalmazásához. A sugárzás intenzitását meghatározza a napszak, az évszak és az id�járási feltételek. Ez a sugárzásintenzitás watt vagy kilowatt per négyzetméterben mérhet� [Wm-2, kWm-2]. A sugárzási energia azaz az id�egység alatti teljesítmény wattóra (kilowattóra, joul) per négyzetméterben van megadva (4.táblázat). Ez nevezetesen egységesen kezelend�, a h� „sugárzás” alkalmazható sugárzásintenzitás és az energia esetében is.

4.táblázat: A sugárzás mérésének egységei

A sugárzás intenzitása a a Föld atmoszféráján kívül 1325 és 1420 Wm-2 között van. Ezt az extraterritoriális sugárzást nevezik napállandónak.

9 Az abszorpció megfordítása az anyag sugárzása, ami itt nem került bemutatásra, mint csekély fontosságú folyamat a szolár energia felhasználásában. Az emisszió a termális alkalmazásokban játszik jelent�sebb szerepet.

Fizikai mennyiség név egység

Teljesítmény-s�r�ség

Sugárzási intenzitás (besugárzás)

Wm-2, kWm-2

Energias�r�ség Sugárzási energia (irradiáció) Whm-2, kWhm-2



12

napállandó: E0 = 1367 kWm-² A visszaver�dés, szóródás és az elnyel�dés körülbelül 30%-kal redukálja ezt az értéket, így ebb�l 1000 Wm-2 jut a földfelszínre nappal, tiszta égbolt esetén. A globális sugárzást két komponens alkotja, nevezetesen a direkt és a diffúz sugárzás. A direkt (vagy napfény) sugárzás közvetlen a napból származik, ellenben a diffúz sugárzással, amely az égbolt minden irányából jön; az égbolt ily módon látszik minden irányból egységesen világosnak. A diffúz komponenst�l látjuk az égboltot kéknek napos id�ben. Amikor az égbolt teljesen borult akkor csak a diffúz sugárzás jut a földfelszínre10 (5.táblázat). Még akkor is ha az égbolt tiszta, a maximális hasznosítható sugárzási intenzitás változik a nap folyamán. Kevesebb a hasznosítható sugárzás kora reggel, illetve kés� délután, miután a sugárzás hosszabb utat tesz meg az atmoszférán keresztül. Délben a leger�sebb a sugárzás.

5.táblázat: A sugárzás intenzitás különböz� id�járási viszonyok között (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A diffúz sugárzás játszik a legfontosabb szerepet Közép-Európában a napenergia hasznosításában, 40% (májusban) és 80% (decemberben) között van a diffúz sugárzás mértéke (10.ábra). Az éves eloszlását és a teljes napenergia összegét a klíma és meteorológiai viszonyok határozzák meg, amely a helyt�l és évszaktól is függ. A föld forgási tengelyének a pályasíkhoz való d�lése okozza a napkörüli pályán haladás során a Földön kialakuló különböz� id�járást, a nap helyzetének és a nappalok hosszának változását az év folyamán. 10 A direkt és diffúz sugárzás nem egyenérték� feltétlenül fizikailag. Ezt egyszer�en az a tény illusztrálja , hogy csak a direkt sugárzás összpontosítható egy lencsével, amit lehetetlen megvalósítani borús id�ben. A dönt� különbség nem a nagyobb sugárzási intenzitás, hanem az a feltétel, hogy a direkt komponensek egy irányba mennek. Alátámasztva a fizikai magyarázatot a diffúz sugárzásnak magasabb az entrópiája.

égbolt

id�járás Tiszta kék ég Párás/felh�s, a Nap sárgás

korong

Borult ég,

Teljes besugárzás

600 – 1000 Wm-2 200 – 400 Wm-2 50 – 150 Wm-2

Diffúz sugárzás aránya

10 – 20 % 20 – 80 % 80 – 100 %



13

10.ábra: A globálsugárzás éves eloszlása Freiburgban, Németország (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A napos területeken, mint például az afrikai sivatagokban vagy Dél-Amerikában, kétszer annyi a hasznosítható sugárzás átlaga, mint Közép-Európában (6.táblázat).

6.táblázat: A napsugárzás különböz� helyeken.

Hasonlóképpen, megkülönbözethet� az energia eloszlása az év folyamán (11.ábra). Közép-Európában, a bees� napenergia összege november és január között körülbelül ötször kevesebb, mint a nyári hónapokban, míg a sugárzás kis földrajzi szélességeknél egyforma /1/. A napsugárzás energias�r�sége alacsonyabb a fosszilis tüzel�anyagokéval összevetve. Az az energia, mely 1 m2–es felületre Közép-Európában, tiszta, nyári napon optimális beesési szög mellett beérkezik, megfelel körülbelül 1 liter f�t�olajnak. Ennek ellenére a napsugárzás összege egy évben Németországban körülbelül 90 szer több, mint a németek éves primér energiafogyasztása.

Átla

gos

napi

glo

bál s

ugár

zás

[kW

hm-2

] Freiburg, Németország

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

hónap

helyszín Éves energia- besugárzás

[kWhm-2] Szahara 2200

Izrael 2000

Freiburg, Dél-Németország 1200

Hamburg, Észak-Németország 1000



14

11.ábra: Különböz� helyeken a globál sugárzás éves eloszlása (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

7 A szoláris energia effektív felhasználásának alapjai A szoláris energia átalakító rendszerekkel kapcsolatban az a követelmény, hogy a legtökéletesebben átalakítsák a napenergiát más energiaformává és ezáltal ezt a fogyasztók számára minimális veszteséggel tegyék elérhet�vé. A sugárzás fogadó (ahol az átalakítás végbemegy), azt jelenti, hogy:

• a teljes szolár spektrumot tökéletesen elnyelje,

• a fotonok teljes energiáját abszorpcióval a fogyasztók számára használható energiaformává konvertálja.

Ezen követelmények kielégítésének lehet�sége nem csak a technikai rendszerek min�ségét�l függnek. A legtöbb esetben már a veszteségek alapvet� fizikai folyamatok miatt lépnek fel, amelyek behatárolják az energiaátalakítás hatékonyságát. A sugárzás villamos árammá való átalakítás példáját vizsgáljuk meg.

• A napelemek anyagi tulajdonságainak megfelel�en csak a szolárspektrum egy részét nyelik el (ez az oka a napelemek meghatározott színének, típustól függ�en)

• Csak egy bizonyos energia alakul át az abszorpció alatt villamos energiává; tekintélyes része, mint h�energia jelenik meg, amely az átalakítás teljesítmény nélküli mellékhatása (a napelemek melegednek üzem közben).

Az átalakítás min�ségét a sugárzásból hasznosítható energia átalakítási folyamat hatásfokának értéke η határozza meg: Hasznos energia

η = sugárzás az elnyel� felületen

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Freiburg, Németzország

Khartoum/Szudán

Átla

gos

napi

glo

bál s

ugár

zás

[Wh/

m2 d]



15

E a mennyiség a rendszerben bekövetkez� összes veszteséget számításba veszi. Ezt gyakran az energiafolyamat rendszerének alkalmatlansága vagy a teljes rendszer teljesítménye befolyásolja dönt�en (pl. a tárolótartály és a kollektor rendszer csöveinek gyenge h�szigetelése, az elektronikai komponensek alacsony hatásfoka a töltési tartomány bizonyos részében a fotovillamos rendszerek esetében). Az energia befogadó feltételei szintén fontos szerepet játszanak az energiahozamban. Miután a nap helyzete változik évszakonként és napszakonként, az átalakítási folyamat számára hasznosítható összsugárzás függvénye a fogadó felület tájolásának. Általában a déli irányú tájolás a szerencsés (az északi féltekén), mivel ekkor a sugárzás egyenletesen fogadható délel�tt és délután is. A fogadófelület d�lés szögének is megkülönböztetett hatása van az összegy�jthet� direkt és diffúz sugárzásra. A hasznosítható diffúz sugárzási hányada vízszinteshez képest kisebb d�lt felületek esetén, mert csak az égbolt egy részét „látja”; Mennél nagyobb a d�lésszög annál kevesebb diffúz sugárzás hasznosítható(12.ábra).

12.ábra: Diffúz sugárzás a döntött fogadófelületen (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A direkt sugárzás optimális kihasználásához a legmegfelel�bb, ha a felület mindig mer�leges a bees� sugárzásra. A többi beesési szög kisebb összenergia-hasznosítást tesz lehet�vé. Közép-Európában minthogy a nap alacsonyan van az égbolton, téli id�szakban még délben is, a nagyobb d�lésszög el�nyösebb, nyáron pedig a kisebb d�lésszög a jobb (13.ábra).

Az égbolt azon tartománya, amelyr�l a sugárzás eljuthat az elnyel� felületre



16

13.ábra: A direkt sugárzás a döntött elnyel� felületen (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Az úgynevezett napkövet� a tájolás és d�lésszögét folyamatosan állítja, úgy, hogy mindig a nap irányába álljon, ez általában csak olyan klímájú térségekben ajánlott, ahol a direkt sugárzás mértéke nagyon nagy, pl. a sivatagban. Jóllehet a követ� rendszer növeli az összenergia-fogadást Közép-Európában is (kb. 30%-kal) /2, 3, 4/, amely érték vitatható, ez a követ�rendszer nagyfokú technikai komplexitást igényel. A fogadófelület állandósult felszerelését, az optimális d�lésszöget a rendszer üzemeltetési feltételei határozzák meg (7.táblázat) /3, 5/:

7.táblázat: A fogadófelület d�lésszögének különböz� feltételei (Közép-Európában).

Ezek az értékek függnek a helyt�l; közelebb az egyenlít�höz kisebb az optimális d�lésszög. Eddig csak a sugárzásnak az elnyelésével foglakoztunk. A legtöbb esetben tárolóegység is szükséges a fogyasztók fotovillamos vagy termál energiával történ� ellátásához az éjszaka és átmeneti id�szakok alatt. A sugárzás id�beni eloszlása fontos szerepet játszik a rendszertároló számára. A következ� lépés a tároló egység alkalmazásnak (adott felület� napelemnek vagy kollektornak) megfelel� méretezése. A nagyobb ingadozások a napi sugárzásban, teljes és hosszabb alacsony sugárzású id�szakok esetén nagyobb tárolóegységet tesznek szükségessé.

nyár

tél

Rendszerjellemz� szög

Maximális évi teljes energianyereség kb. 30°

Téli hónapokra optimalizált kb. 60°

Tavasszal és �sszel jó energiahozam kb. 45°



17

Ily módon az egyenlít� közelében több szempontból is el�nyösebb (nem csak a hasznosítható nagyobb energiamennyiség miatt) A nap hossza nem változik nagyon egy egész év alatt. Ezzel szemben, ha hosszabb ideig felh�sebb az id� a vártnál (mint télen Közép-Európában), nagyobb méret� tárolóegység szükséges. A napenergia megbízhatóságát nemcsak a sugárzás és a technikai rendszerek határozzák meg. A rendszer felépítése el�tt az igényelt energiamennyiséget el�vigyázatosan kell felmérni. Nem szabad elkezdeni a rendszertervezést ezen eredmények ismerete nélkül. Számos esetben szükséges megvizsgálni a fogyasztók energiaigényének csökkenthet�ségét a megfelel� mérések által. A napenergia alapú energiaellátás nem jelenti a komfort csökkentését vagy önmegtartóztatást a megszokott energiaszolgáltatástól11; akárhogy is a felhasználók magatartása meghatározza, mennyi átalakított napenergia szükséges az aktuális felhasználáshoz.

8 Irodalomjegyzék /1/ W. Palz (Ed.) European Radiation Atlas, /2/ A. Goetzberger, W. Stahl, Comparison of yearly efficiency and cost of energy for

stationary, tracking and concentrating PV systems, Proc. of the 7th Photovoltaic Solar energia Conference, Seville, 1986

/3/ L. Rouvel, Simulation photovoltaischer Anlagen - Randbedingungen, Systemeinflüsse und Ergebnisse, (Simulation of photovoltaic systems - boundary conditions, system effects and results), Schriftenreihe der Forschungsstelle für Energiewirtschaft, Band 18, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 1987

/4/ P. Baltas, M. Tortoreli, P.E. Russell, Evaluation of power output for fixed and step tracking photovoltaic arrays, Solar energia 37, 147, 1986

/5/ R. Kaiser, W. Roth, Auslegung photovoltaischer Energieversorgungen, (Dimensioning photovoltaic power supplies), Proc. 4. Nat. Symp. Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 1989

/6/ D. Seifried, Gute Argumente Energie (Good arguments - energy), Verlag C. H. Beck, Munich, 1986

11 "Energiaszolgáltatás" azt a hasznot jelenti amelyet a fogyasztók felhasználnak, pl. világításra, szobák f�tésére. Mennyi energiát szükséges el�állítani a szolgáltatás függvényében az alkalmazott technológia hatásfokán.

Documents

G03 el adás* A napenergia-hasznosítás alapjaifft.szie.hu/fizika/Turkalo/napenergiahaszn/G03 - A napenergia hasznositas alapjai.pdfSOLTRAIN – G03 el adás A napenergia-hasznosítás