Besugárzás – a Föld egyik legfőbb energiaforrása

A földi folyamatok, az élet leghatalmasabb és számunkra kimeríthetetlen energiaforrásai a nap- és a földhő- (környezeti hő) energiák. A napenergia – mely egyben a klorofill alapú energiaátalakítás alapja is – sugárzással jut el Földünkre, a másik energia mindenütt, minden időben korlátlanul rendelkezésre áll. Mindkettő oly hatalmas, hogy valódi nagyságukat még megbecsülni is nehéz. A Nap – a belsejében, mintegy 12 millió Celsius fokon lezajló, fúziós folyamatok eredményeként – összetett, elektromágneses sugárzást bocsát ki a világűr minden irányába. Jelen cikkünkben ezeket a folyamatokat elemezzük.A Nap energiája számunkra egy kívülről jövő, sugárzó energiát jelent, ezért a sugárzás mennyisége és milyensége elsősorban a földfelszíni folyamatokat érinti. (Sokan vélik úgy, hogy a hőszivattyúk energiája is innen származtatható, ez azonban erősen átgondolásra szorul!) Ez a besugárzás egyszerre jelentheti az életet vagy a pusztulást a körülményektől függően. A napelemmel történő energiaátalakításunk energiaforrása is a Nap, mely mintegy 160 millió km-re van tőlünk.

A besugárzás

A Nap sugárzási erőssége nem állandó, részben véletlenszerűen (sztohasztikusan), illetve periodikusan (11 éves ciklus) lüktető. A napfelszínen időszakosan napkitörések „fler”-ek jelennek meg. Ezek mágneses viharokat okozhatnak a Földön. Az erős sugárzás az élőlényekre halálos veszélyt jelent, ez ellen Földünk légköre, ózonpajzsa véd meg. A „napszél” és a Föld mágneses tere kölcsönhatásaképpen jöttek létre a „Van Allen-ről elnevezett övezetek”, melyek jelentősen csökkentik a kozmikus sugárzás erősségét. A sarkok övezetében a mágneses tér gyenge, ezért a kozmikus sugárzás lehatol a légkör alsóbb rétegeibe is, és ott fényjelenséget okoz (északi fény, mely mindig csak egyszínű!). A napenergia – jelenlegi tudásunk szerint – primer módon, alapvetően háromféle formában hasznosítható. Hőenergia (termikus energiahasznosítás, napkollektorral), villamos energia (napelemmel), bioenergia formában (biomassza energia, fotoszintézis). A természet élővilága több millió éve hasznosítja ezeket (növények, állatok). Gondoljunk csak arra, hogy a hidegvérű állatok (krokodil, kígyók „hidegindítója” a Nap. Elsőként az emberi tudás teremtette meg azokat az eszközöket, melyekkel lényegesen hatékonyabban és főleg másféle formákban is nyerhetünk energiát a Napból. A napsugárzás (napszél) egy összetett elektromágneses sugárzás. Ennek egy része életünkre nézve káros vagy zavaró (Földünk légköre eddig szerencsésen megvédett ettől), más része számunkra is hasznosítható, sőt nélkülözhetetlen (látható fény 390–700 nm, hősugárzás 0,9–3,5/um). Az 1. ábra a Van Allen-övezeteket mutatja be. 1. ábra: A Földet körülvevő Van Allen-övezetek A sugárzás mértéke hatalmas, évente mintegy 3,9 · 1024 J = 1,08 · 1018 kWh energia éri a Föld felszínét. A napenergia-hasznosításnak többféle módszere is ismert, az élővilág ezt használja. A naprendszer központi csillaga a Nap, mely mintegy 150 millió kilométerre van tőlünk. A Föld elliptikus pályán kering a Nap körül. A keringési idő egy év (közelítőleg 365 nap), a keringés síkja az orbitális sík (ekliptika). A Föld saját forgással is rendelkezik, egy körülfordulás ideje mintegy 1 nap (kb. 24 óra). A forgástengely nem merőleges az ekliptika síkjával, hanem 23,45 fokos szöget zár be. A Nap-Föld távolság az év során változó. A sugárzási intenzitás terjedésének négyzetesen fordított arányos képlete alapján azt gondolhatnánk, hogy a Földön a besugárzásban észlehető nagy eltérések oka ez lehet, valójában azonban ez nem így van. A fő okok a földtengely ferdesége és a forgástengely precessziós mozgása. A jelenséget először Milankovics írta le ezért „Milankovicsciklusoknak” is nevezzük. 2. ábra: A Nap-Föld geometriai viszonyának vázlatos bemutatása (Forrás: ISES)

Fúziós folyamatok a Napban

A Nap csillagunk energiaforrása a Nap belsejében lejátszódó  fúziós energiafolyamatok. Az energia kisugárzásra kerül (elektromágneses sugárzás, napszél), ezért a nap tömege folyamatosan csökken (a napszél sebessége földtávolságban 400 km/s). A Nap maghőmérséklete 12 millio Kelvin, felszíni hőmérséklete 5800–6000 Kelvin. (Innen ered a „színhőmérséklet” mértékegység definíciója is.) A napenergia egy széles spektrumú elektromágneses kisugárzás. A fény az elektromos (E) és a mágneses tér (H) váltakozása, mindkettő rezgési síkja merőleges a fény haladási irányára (Poynting vektor, S). Ebből az emberi szem csak az elektromos (E) vektoriális összetevőt érzékeli. A „fehér fény” összetett minden látható hullámhosszt tartalmaz, ezért színe nincs. A koherens fény többnyire csak egyetlen hullámhosszt tartalmaz (lézer és színes fény). A Napban lejátszódó folyamatok időbeli alakulása hullámzást mutat. Talán az egyik leglátványosabb ilyen jelenség a felszínen megjelenő napfoltok és „flerek”.A Nap is forog a tengelye körül, és mivel az anyaga folyékony, a forgás a gömbszerű test egyes pontjain nem egyenletes. A napfolttevékenység közel 11 éves (illetve 22 éves) periódusa a Földre érkező sugárzások erősségében is kimutatható, az energiahozamokat befolyásolja! A napfoltokat csak mintegy néhány száz éve figyelik (és regisztrálják) a tudósok. A legnagyobb vitát az ún. „Maunder minimum” jelenti. A Földön elérhető energiahozamokat az alábbi tényezők határozzák meg: • a Nap (szerkezete, jellemzői) –– a Napban lejátszódó folyamatok, az energiaforrás nagysága, –– a napállandó, –– méretarányok a Naprendszerben, –– a Nap és a Föld viszonya (évszakok, Milankovics-ciklusok) • a földfelszín besugárzása –– az elektromágneses sugárzás jellemzői (fény, UV, NUV, IR, FIR), –– veszteségek, spektrumok (Air mass), –– légköri szórások (Raleigh, Mie, Tyndall, Linke), –– a sugárzás fajtái (global, direkt, szórt), –– visszaverődés (albedo). A NASA értelmezése szerint, a légköri sugárzásból (mely 100%) mintegy 49–51% érkezik a földfelszínre. A beérkezett sugárzás 23%-a fordítódik a víz mozgatására, a vízzel kapcsolatos ciklusok fenntartására. Energiamérlegünk sajnos kissé pozitív, kevesebb energia távozik, mint amennyi keletkezik, illetve érkezik (üvegházhatás).

Energia – a napállandó meghatározásai

A Nap energiája atommagfúzióból keletkezik. Ennek folyamatát vázlatosan az alábbiakban mutatjuk be. 3. ábra: Fúziós folyamatok a Napban Forrás: MCSE, Magyar Csillagászok Egyesülete hozzájárulásával, http://www.mcse.hu/ 4. ábra: Az elektromágneses sugárzás megoszlása frekvencia és hullámhossz szerintA fúziós energia során négy hidrogénmag (H, 1p, proton) egyesül egy héliummaggá (alfa részecske, 1ά), a neutrinók tömegét most elhanyagoljuk. A fenti reakció tömeghiányt (Δm) mutat, melynek értéke: Különféle részecske- és magtömegeket behelyettesítve a képletbe azt kapjuk, hogy a reakció tömeghiánya: Δm = 0,02650263 u. A klasszikus „einsteini képlet” szerint ez a tömeghiány energiává alakul át, azaz ΔE = 3,955 · 10–12 J = 24,687 MeV. Ha a reakció elektronjainak energiájából származó energiát is figyelembe vesszük, akkor a felszabaduló energia összesen 26,731 MeV. Fentiek alapján azt mondhatjuk, hogy a Nap tömegcsökkenése 4,3 millió tonna tömeg másodpercenként (Δmnap = 4.3 · 109 kg/s), mely sugárzási energiává alakul. Ebből kiszámítható a Nap energiasugárzás-intenzitása: φe,Sun = Δm · c2 = 3,845 · 1026 W. Ha számolásunkat kiegészítjük a Nap geometriai adataival (As, napfelszín), akkor megkapjuk a fajlagos (felületegységre jutó) napsugárzási teljesítményértéket. Me,s = φe,Sun / As, = 63,11 MW/m2. A Stefan-Bolzmann törvény segítségével meghatározhatjuk a Nap felszíni hőmérsékletét is: 5. ábra: A napfolttevékenységek ingadozása és ismétlődéseMe (T) = ϭ · T4 [ϭ = szigma, a Stefan–Boltzmann állandó ϭ = 5,67051 · 10–8 W/(m2 K4)]. A Napfelszín (A_s) és a földtávolság (r_se) segítségével meghatározhatjuk a „földtávolságban lévő egységnyi felületre” a besugárzás mértékét. Mivel a Nap-Föld távolság nem állandó (1,47 · 108 km és 1,52 · 108 km), ezért két szélsőértéket kapunk. A földi légkör határán a besugárzási érték: 1325–1420 W/m2 (+/– 2 W/m2). 6. ábra: A sugárzás behatolása a földi légkör határánFenti szélsőértékek átlagát napállandónak nevezzük. Szokásos szakirodalmi jelölése E0 (vagy intensity, I0). A napállandó különféle értékeit a szakirodalom 1350–1370 W/m2 értékek között fogadja el. A légkör felső határán a napsugárzás mintegy 6,9–7%-ot ingadozik egy év alatt. (Januárban 1,412 kW/m2, júliusban 1,321 kW/m2). A napi ingadozás mértéke csekély, csak 0,1%. Ily módon a teljes földfelszínre vonatkoztatva (keresztmetszet = 127 400 km² adattal számolva,) a beérkező teljesítmény 1,730 · 1017 W (173 000 Twatt). Ugyan megállapításra és rögzítésre került a „napállandó” értéke, azonban tudnunk kell, hogy a „napállandó” – több okból is – nem állandó, ezért a Föld besugárzottsága a keringés körülményei miatt változik. A napállandó meghatározása az „egy csillagászati egység Nap-Föld távolságra” történt (cse = ua egység, metric (SI) 1,4960 · 1011 m), ez nagyjából a Nap-Föld középtávolsága, mintegy 150 millió km. A Föld felszínére jutó hányad a napállandó mintegy negyede, azaz 340 W/m². A ténylegesen a felszínre jutó energia a légkör pillanatnyi állapotától és az adott hely földrajzi szélességétől függ. A légkör határára érkező sugárzás legfőbb jellemzői az intenzitás és az energia hullámhossz szerinti eloszlása (spektrális eloszlás). Mindkettő paraméternek az energiahozamok számításában nagy jelentősége van. A légkörbe való behatolás a Snellius-Descartes törvény szerint történik. Ideális esetben a sugárzás a Planck-féle sugárzási törvény szerint alakul, de ez csak akkor lenne igaz, ha a légkör teljesen áteresztő lenne. A földi légkör összetevői (gázok, vízgőz, por, egyéb szennyeződések, GHG gázok, légköri képződmények) a beérkező sugárzás eloszlását, erősségét jelentősen megváltoztatják. 7. ábra: A légkörben megtett út hatása a spektrumra, AM1,5. Zöld görbe: ideális eset, piros görbe: AM0, kék görbe: AM1,5

Áthaladás a légkörön

A sugárzás a földi légkör határára érkezik, és azon áthaladva jelentősen megváltozik. Erőssége csillapodik, erőteljesen szóródik (Raleigh, Mie és egyéb szórások), spektrális eloszlása torzul. Létezik egy, a világon egységesen elfogadott referencia napspektrum, melyet szabványok rögzítenek (ASTM). A valódi sugárzás azonban olyan jellegzetes torzulásokkal rendelkezik, melyek a légkörben lévő ózon, vízgőz, por, szennyező gázok (CO2, NOx) miatt következnek be. Az eredeti sugárzási görbe (7. ábra, piros vonal) alakja bizonyos helyeken erősen megváltozik. A folytonos vonallal rajzolt görbén több „beszívódás” is észlelhető. Ezek oka a légkörben lévő szennyeződések és a vízgőz által okozott energiaelnyelések. A besugárzásokat világszerte műholdak sokasága (közel 100 db) figyeli, méri, és ezekből tudományos és egyéb célra adatbázisok, térképek készülnek. 8. ábra: Magyarország besugárzása, OMSZ 20 éves adatsor alapján 9. ábra: Helytelen besugárzási térképekHangsúlyozni kell, hogy az interneten található „ingyenes térképek” többsége komolyabb számításokra nem alkalmas! Ennek ellenére a „kezdő és felkészületlen tervezők” előszeretettel használják, sajnos még pályázatokban is találkozunk ilyenekkel. A mellékelt térkép (8. ábra) az egyik legkorrektebb besugárzási térkép, mely az OMSZ 20 éves adatsorain alapul. A térképek (adatsorok) a méretezés alapját képezik, ezért nagy szerepük van a megtérülési számításokban és ezek helyességében. A sokat (de helytelenül) idézett JRC adatbázis olyan adatokat közöl hazánkról, melyek nem egyeznek a saját (OMSZ) mérésekkel! Helyességük ezért megkérdőjelezhető. Általában a hamis adatok többnyire hamis megtérülési mutatókhoz vezetnek (kárvallott a beruházó). A besugárzási torzulások mértéke attól is függ, hogy a sugárzás mekkora utat tesz meg a légkörben. Az is fontos, hogy a világon mindenütt egységes tudományos és műszaki elvek alapján történjen az adatok és a hivatkozási referenciák megadása, akár a gyártó, akár a kereskedő, akár a beruházó oldaláról. A napelemipar fejlődése szükségessé tette a fogalmak és mérések egységesítését, szabványos rögzítését. 10. ábra: A légtömeg és az AM 1,5 értelmezéseA nemzetközileg egységes tárgyalásmód érdekében ezért volt szükséges definiálni, hogy vajon milyen spektrális eloszlásról van szó, amikor azt mondjuk, hogy ez egy 235 Wp-os napelem. Az egységesítés érdekében vezették be a légtömeg fogalmát (Air Mass, jelölése AM xx). A napelemipar az AM1,5 értéket fogadta el hivatkozási referenciaalapnak. (Léteznek még egyéb fontos értékek, AM0, AM1, AM2.) A légkör tisztaságának egyik jellemzője a „Linke turbiditás”, melynek kis számértéke jelzi a tiszta légkört (LT = 1). Nagyobb városok levegője állandóan szennyezett, a Linke-érték 3–5 körül van. Nagy ipartelepek (Ruhr-vidék stb.) körül akár 4–7 érték is előfordulhat. Értékére a SMOG (füst és fotokémiai szmog) is jelentős hatással van. Többnyire a közlekedésből eredő, légszennyező anyagok (kipufogógáz) az intenzív besugárzás hatására átalakulnak, s ún. peroxi-acetilén-nitrát (PAN, valamint nitrogén-tartalmú részecskék képződnek), melyek mérete többnyire 0,5 μm körül van. Ezek a részecskék a fényt erőteljesen szórják, az égbolt tejszerű, opálos fényben látható (szórt sugárzás). (Bizonyos napelemek, pl. a_Si és általában a vékonyrétegű napelemek jobban képesek hasznosítani a szórt sugárzást, ezért az energiahozamokban előnyt mutatnak a fajlagos mutatók alapján.)A teljesen tiszta égbolt mélykék, LT=1. Ez csak ritkán, főleg eső, vihar után szokott előfordulni, magashegységekben azonban gyakrabban észlelhetjük. A besugárzást csak akkor tudjuk jól hasznosítani, ha megfelelő helyet és helyzetet (pozíciót) választunk. A helyet és helyzetet csak megfelelő ismeretek alapján lehetséges jól megválasztani. Ez a méretezés alapja. A helyes szögek megválasztásában az általános csillagászati ismeretek segítenek. A két legfontosabb szög az azimuth és az emelési szög. Hazánk éves besugárzási profilja valós terepi mérések alapján (11. ábra, 392 napos mérés, 2 perces felbontással, Dunasolar mérőállomás, 2002-03). A Dunasolar mérőállomásán mintegy 2 millió adatot rögzítettünk, így ez Magyarország egyik legmegbízhatóbb mérési adatsorát jelenti, mely aztán kibővült hazánk első napelemerőművének (2005. Gödöllő, 10 kWp) közel 10 éves mérési adataival (2005–2014). Minél hosszabb egy adatidősor, annál értékesebb és megbízhatóbb. Hazánk a (N47, E19) szélességi tartományon fekszik, ezért a nappályákat e szerint kell megállapítani. Ezekből vezethetők le az optimális helyzetek. Csak az optimálisan helyezett napelemmel nyerhetünk maximális energiát. A tervezőnek nemcsak a napelemet és a többi rendszerelemet (kb. 9 db) kell ismernie, de mélységében és részleteiben tisztában kell lennie a különféle sugárzási formákkal (GHI, DHI, DNI), azok tulajdonságaival, előfordulásaival, előnyeivel és hátrányaival. 11. ábra: Magyarország éves besugárzási profiljajó tervező nemcsak a veszteségforrásokat elemzi, de feltárhatja a nyereségforrásokat is. Ha a rendszer (napelem vagy annak egy részének) besugárzása, benapozottsága nem egyenletes, az további súlyos problémákat – akár gyors és garantált tönkremenetelt – okoz a rendszerben.

Felhasznált szakirodalom

[1] Gaiasolar és EU-Solar szakirodalmi könyvtár és archívum [2] Véghely Tamás: Megújuló energia, oktatási anyag, 2009–2015 (EDU-solar) [3] Magyar Csillagászok Egyesülete honlap, http://www.mcse.hu/ [4] V. Quaschning: Understanding Renewable Energy Systems, 2005. [5] Dunasolar mérési adatbázis és a 2003 utáni mérésekkel (2005–2014 Gödöllő) kiegészített állománya (Gaiasolar mérési archivum) [6] NASA adatbázis (internet) [7] Perez és társai: Forecasting solar radiation [8] Vignola – Perez et.al: Analisys of satellite derived beam radiation [9] Brian N. Belcher, Arthur T. DeGaetano: A revised empirical model to estimate solar radiation using automated surface weather observations, Solar Energy, 2006. [10] R. A. Gansler, S. A. Klein and W. A. Beckman: Investigation of minute solar radiation [11] Daniel W. McKenney a, Sophie Pelland b, Yves Poissant b, Robert Morris c, Spatial insolation models for photovoltaic energy in Canada [12] Akio Suzu and Shigeo Kobayashi: Yearly distributed insolation model and optimum design of a two dimensional compound parabolic concentrator