Most már értem a napenergiát (I.) - ALAPFOGALMAK: A BESUGÁRZÁS

Elindult az új Otthonfelújítási program! Minősítsen elő!

A Földön az emberiség számára hozzáférhető és folyamatosan felhasználható legnagyobb energiamennyiséget a Nap szolgáltatja. A Napban lejátszódó fúziós folyamatokban rengeteg energia keletkezik, amely szélessávú elektromágneses sugárzás formájában az űrbe sugárzódik szét. Ennek csekély hányada eljut a Földre is.

1. ábra

A légkör külső felületére érkező sugárzási energia értékének csak mintegy 49–51%-a jut el ténylegesen a földfelszínre, ám ez is hatalmas érték. A világ jelenlegi összes energiafelhasználása meg sem közelíti ezt. A sugárzás (elsősorban a napsugárzásra gondolva) több adattal is jellemezhető: időbeli eloszlás, hullámhossz szerinti megoszlás, területi eloszlás, erősség (intenzitás, teljesítmény) energiamennyiség stb. (1. ábra).

Definíciók

Az alábbiakban a gyakrabban használt mennyiségek magyar elnevezései és értelmezésük következik. Sajnos az általános napelemes irodalom – sőt, néha a professzionális szakirodalom is – súlyos pontatlanságokat tartalmaz ezen a területen. Sokféle elnevezés, rövidítés került a köztudatba, amelyek redundánsak, többségük helytelen vagy felesleges, sőt zavaró. GHI A GHI elnevezés (Global Horizontal Insolation) a földfelszínen, a vízszintes, a horizont síkjában észlelhető összes (egyetemes) napsugárzás teljesítményét (erősség) jelenti, mértékegysége kW/m2. Ez nem energia, hanem teljesítmény. A GHI többféle sugárzási típust egyszerre tartalmaz, ezért az egyik legfontosabb mutató. DH A DHI elnevezés (Diffuse Horizontal Insolation) a földfelszínen, a vízszintes, a horizont síkjában észlelhető összes szórt napsugárzás erősségét jelenti, mértékegysége kW/m2. Ez sem energia, hanem teljesítmény. A szórt sugárzás sokféle forrásból eredhet (felhő, légköri részecskék, visszaverődések). Szinte mindenütt jelen van, értéke területenként, évszakonként, napszakonként változik. DBI A DBI elnevezés egy adott sugárzás erősségét jelenti a terjedési sugár (Direct Beam) irányában, egy igen szűk, korlátozott térrészben észlelve, mértékegysége kW/m2, azaz teljesítmény. Insolation – irradiation A szakirodalom többféle kifejezést – insolation, irradiance és irradiation – használ, amelyek gyakran keverednek, és félreértéseket okoznak. Ez a három elnevezés azonban valójában csak két fogalmat jelöl: „irradiance” (insolation, sugárzási teljesítmény vagy sugárzási áramsűrűség), „irradiation” vagy „radiant exposure” (a sugárzási energia vagy besugárzás). A mindenkori besugárzás egy jelentős része mindig szórt sugárzás, még teljesen tiszta égbolt esetén is. A sugárzási teljesítmény (insolation), valamely felületegységen áthaladó sugáráram (mértékegysége W/m2, vagy másképpen Wm–2). DNI (lásd korábban DBI) A direkt merőleges besugárzás (Direct Normal Irradiance/Incidence) a sugárzás értéke a sugárirányra merőlegesen mérve. BTI Sugárirányú (direkt) sugár-követő (tracking) besugárzás (Irradiation), Direct Normal Irradiation (direct irradiation in a plane tracking the sun position). GTI Globális (összes, total) sugárzás, egy adott napelem kibillentett síkjában (emelési szög) mérve (Global Tilted Irradiation in-plane irradiation for a fixed PV panel with a given tilt and azimuth). TMY Tipikus meteorológiai év (Typical Meteorological Year). Az évek során gyűjtött mérési adatokból előállított, átlagolt adatokat tartalmazó adatsor, amely jellemző (tipikus) évnek tekinthető. Többféle modell ismeretes. P50 A sugárzási eloszlási görbe 50%-os értéke (50% percentile of a distribution, median). FS50 A sugárzási eloszlási görbe 50%-os értéke, 50% medián a Finkelstein-Schafer definíció szerint (50% median of a distribution based on the Finkelstein-Schafer distance between two Cumulative Distribution Functions (CDF)). P90 A sugárzás eloszlási görbe 90%-os értéke. A Föld besugárzás mértéke hatalmas, évente, mintegy 3,9 * 1024 J = 1,08 * 1018 kWh energia éri a föld felszínét a Napból.

2. ábra

Összefoglalva, a gyakorlati életben háromféle sugárzási típus erősségének ismeretében jól meghatározható egy adott rendszer teljesítőképessége (2. ábra). A 3. ábra bemutatja a direkt, a szórt, a visszavert sugárzást, valamint a hosszúhullámú sugárzásokat az égbolt felől, a visszavert sugárzást és a felület kisugárzását (hullámos vonal).

3. ábra

Mérés, műszerek

A besugárzás mérése alapvetően hőmennyiség, ill. hőmérséklet mérésre vezethető vissza. Egy adott felület többnyire elnyeli a sugárzási energiát, ezért hőmérséklete megnő. A növekedés mértéke arányos az elnyelt (felvett) energiával. A műszerek többsége ezért a Bolometer-elv alapján működik, azaz hőmennyiséget (Q) mér. A szokásos meteorológiai gyakorlatban nyolcféle sugárzással kapcsolatos mennyiséget mérnek (direkt, diffúz, globális sugárzások, albedó, hosszhullámú, teljes sugárzás, sugárzási egyenleg, napfénytartam). Ebből hét műszer által mért mennyiség egysége a W/m2, egy mennyiség pedig időtartam (óra, perc) jellegű. A napenergia iparban a sugárzás mérésére az alábbi mérőműszerek használatosak:

Piranométer (globálsugárzás),
Pirheliométer (direkt sugárzás),
Netto pirradiométer (nettó sugárzás),
Pirgeométer (hosszúhullámú sugárzás),
Pirheliográf (napfénytartam),
Solarimeter, aktinométer, napsugárzás mérő (alternatív elnevezések).

Ezek közül a leggyakrabban a piranometert és a pirheliometert használják. A mérőműszerek – és a méréstechnika – területén bizonyos kuszaság érezhető. Tudományos alkalmazásokban a műszerek (és használatuk) jól definiáltak, de a napelem ipar újdonsült szereplői nem mindig fordítanak kellő figyelmet erre. Sok esetben már az elnevezés egyértelműsége sem lelhető fel. Ebben nagyrészt az internet világa is felelőssé tehető. Azon a területen pedig, hogy a műszerek mit és hogyan mérnek, még nagyobb a zűrzavar. A 4. ábrán napfénytartam mérő, az 5. ábrán pyranometer (GHI), míg a 6. ábrán egy mérőállomás látható

Hasznosítható mennyiségek

A Földre jutó sugárzási energiamennyiséget több tényező együttesen határozza meg. Ezek a következők:

a Nap mindenkori – pillanatnyi - energetikai állapota (energiaforrás)
csillagászati adatok (Föld–Nap pálya),
a Nap–Föld távolságok alakulása, (elliptikus keringési pálya, napközel, naptávol)
a Föld forgástengelyének döntöttsége (és a precessziós változások)
a Földi légkör állapota.

Az elliptikus keringési pálya következtében a Nap–Föld távolság folyamatosan változik, átlagos mértékben ±2%-kal. Csillagászati léptékekben gondolkodva a Föld jelenlegi korszakunkban januárban van Napközelben és júliusban van Naptávolban. Ennek következtében télen 3%-kal több, nyáron ugyanennyivel kevesebb energia érkezik a légkör külső határa, mint átlagos távolság esetén. Földünkön az időjárás változékony, ennek egyik fő oka a Föld Nap körüli keringésének jellemzője, amelyet Milankovics-ciklusnak neveznek (7. ábra).

7. ábra

A napállandó, a meghatározás szerint, a Napból a Föld külső légkörének határán, egységnyi 1 m2 felületére jutó besugárzási intenzitás értéke, jelölése (8. ábra). A szakirodalomban a 1368 W/m2 (1980 évi döntés) és a 1361 W/m2 (2012 évi döntés) intenzitás közötti értékek is elfogadottak. A napállandó elnevezése onnan ered, hogy több mint száz évre visszanyúló mérések szerint ez az energiamennyiség a mérési hibahatárokon belül változatlannak tekinthető. Ennek ellenére szigorúan vett értelemben a napállandó nem konstans.

8. ábra

Amennyiben a Föld légkörén túl, a világűrben folyamatosan, a Nap felé fordítva helyeznének el egy energiagyűjtő felületet, akkor ezt állandó, azaz a napállandónak megfelelő sugárzási teljesítmény érné. A földfelszínen kevesebb az energia, mert a légkörben haladva veszteségek vannak. Ebből derült időben akár 1000 W/m2 is mérhető (ritkán), míg borult időben az 50 W/m2–t sem éri el a sugárzás. A napállandó valójában egy ciklikusan változó paraméter. Pontos értékét 1979 óta műholdas mérések felhasználásával állapítják meg. Ez az ún. „rendelkezésre álló mennyiség”. Amikor azt szeretnék megtudni, hogy ebből a „készletből” vajon mennyi energia nyerhető ki, akkor már figyelembe kell venni az elkészített „sugárzás hasznosító készülékek” (napelem, kollektor és egyéb megoldások) tulajdonságait, ezen felül azok telepítési körülményeit is. Ezen feltételekről a cikksorozat későbbi részeiben lesz szó.

Gyakorlati tanácsok

Még a legjobban felkészült és legpontosabb számítások is legalább 10...12% bizonytalanságot tartalmazhatnak – ez a kezdő tervezők nagy csapdája. Nem célszerű valótlan (felelőtlen) energiabecsléseket készíteni, ha nem ismertek pontosan a telepítési körülmények, az adott eszközök műszaki jellemzői és a rendszer elemei, mert ezek együttesen határozzák meg az elérhető energiamennyiségeket. A világon mindenhol, még teljesen felhőtlen, napos időben is jelen van egy adott mennyiségű szórt sugárzás (10...30%). Bizonyos körülmények között ez jelentősen magasabb (40...70%) is lehet. A sugárzások akkor hasznosíthatók a legjobban, ha a felfogó felület merőleges a beeső sugár irányára (téli, nyári állásszögek, napkövető rendszerek). A különféle technológiával gyártott napelemek (félvezető anyagok) nem egyformán alakítják át a sugárzást, egyes típusok a szórt fényt jobban hasznosítják. A besugárzás alapvetően teljesítmény, és nem energia, ezért a besugárzási adatokat is ennek megfelelően kell kezelni. A kinyerhető energia megállapításához további (bonyolultabb) számításokat kell végezni. (Folytatjuk)