A napkollektoros hőtermelés lehetőségei Magyarországon
2006/3. lapszám | netadmin | 3224 |
Figylem! Ez a cikk 20 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A napkollektoros hőtermelés lehetőségei Magyarországon Mára a napenergia-hasznosítás Magyarországon is az épületgépészeti szakma részévé vált. Szinten minden nagyobb kazángyártó cég termékpalettáján megtalálhatók a napkollektorok, és egyre több ...
Mára a napenergia-hasznosítás Magyarországon is az épületgépészeti szakma
részévé vált. Szinten minden nagyobb kazángyártó cég termékpalettáján megtalálhatók
a napkollektorok, és egyre több az olyan cég is, aki speciálisan csak napkollektoros
rendszereket kínál. A bőség persze nem jelent feltétlenül minőséget is. Éppen
ennek a területnek az újdonsága teszi azt lehetővé, hogy az ilyen rendszereket
forgalmazók sokszor irreális ígéretekkel nyerjék el a megrendelők bizalmát.
Érthető az, hogy a Nap ingyenes, tiszta energiáját mindenki szeretné hasznosítani.
Ahhoz azonban, hogy a leendő megrendelő reálisan tudjon mérlegelni és dönteni,
tisztában kell lennie azzal, hogy napkollektorokkal mennyi energiát tud majd
hasznosítani, és ezzel milyen részarányban tudja fedezni házának vagy egyéb
létesítményének hőigényét.
Az első tisztázandó kérdés: Magyarországon mekkora a hasznosítható napenergia mennyisége? Létezik olyan vélemény, mely szerint a hazai napsugárzás túl csekély mértékű a reális hasznosításhoz. Az ilyen kétkedőket azonban célszerű átküldeni a szomszédos Ausztriába, ahol a napsütéses órák száma kevesebb, mint Magyarországon, mégis több mint hárommillió négyzetméter napkollektort szereltek már fel idáig, míg nálunk ezt kb. 50 000 m 2 -re becsülik. Ha megvizsgáljuk az országok rangsorát az egy lakosra eső napkollektor-felület szempontjából (1. ábra), akkor látható, hogy a napkollektorok alkalmazásában élenjáró országok többségében a hasznosítható napsugárzás kevesebb, mint Magyarországon (Ausztria, Dánia, Svájc, Németország, Svédország).
Ha a nálunk rosszabb meteorológiai adottságokkal rendelkező országok is előttünk járnak a napkollektoros rendszerek megvalósításában, akkor valószínűleg a hazai napsugárzásnak is elegendőnek kell lennie. Magyarországon a napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100, derült idő esetén a déli órákban a napsugárzás teljesítménye eléri, rövid időre akár meg is haladja az 1000 W/m 2 értéket. A 2. ábrából látható, hogy Magyarországon 1 m 2 déli tájolású és 45°-os dőlésű felületre a nyári hónapokban naponta több mint 5 kWh hőmennyiség érkezik, és ebből napkollektorokkal közel 3 kWh hasznosítható. Látható az ábrából az is, hogy a napkollektorok nem csak nyáron, hanem egész évben, tehát ha kisebb mértékben is, de a téli félévben is alkalmasak hőtermelésre.
A hasznosítható napsugárzás mennyiségét természetesen befolyásolja a napkollektorok elhelyezése, vagyis dőlésszöge és tájolása. Az optimális tájolás általában mindig déli, de az optimális dőlésszög már függ a földrajzi helyzettől és a felhasználás időszakától. Magyarországon a legtöbb napsütés, megközelítőleg évi 1450 kWh/m 2 déli tájolású és 40° körüli dőlésszögű felületre érkezik.
A napkollektorok dőlésszögét és tájolását általában meghatározza a rendelkezésre álló tetőfelület, ami persze sokszor nem egyezik meg a kívánatossal. A 3. ábrán látható, hogy egész éves felhasználás esetén a hasznosítható napsugárzás hogyan csökken az optimális elhelyezéstől való eltérés függvényében. Jelentős csökkenés csak függőleges dőlés és keleti vagy nyugati tájolás közelében tapasztalható. Ezért nem kell elkeseredni, ha a tetőfelület nem pont déli, és 40° körüli dőlésű, hiszen pl. délkeleti tájolás és 30°-os dőlés esetén a sugárzásjövedelem-csökkenés mindössze 10%. Felmerülhet az a kérdés is, hogy célszerű-e a Nap irányába forgatni a kollektorokat. Mivel a napsugárzás jelentős része határozott irány nélküli szórt sugárzás, ezért a napkövetéssel elérhető teljesítménynövekedés általában nem áll arányban a forgatás miatti bonyolultság- és költségnövekedéssel.
Mire elegendő a Magyarországon hasznosítható napenergia? Ennek megválaszolásához azt is tudnunk kell, hogy mekkora az épületgépészeti hőigény. Nézzünk egy példát: családi ház, 120 m 2 fűtött alapterülettel. Egy ekkora épület fűtési hőszükséglete - ami azt mutatja meg, hogy a méretezési külső hőmérséklet (pl. -13 °C) esetén mekkora teljesítményű fűtési rendszer szükséges - megközelítőleg 10-15 kW. A valóságban azonban ilyen hideg vagy egyáltalán nincs, vagy csak néhány napig tart, ezért a tényleges hőszükséglet a fűtési szezon legnagyobb részében alacsonyabb. A hőszükséglet éves alakulása számítógépes szimuláció alapján a 4. ábrán látható. A vizsgált épület fűtésének hőszükséglete a teljes fűtési időszakban megközelítőleg 13 500 kWh. Az ábrán látható a meleg víz készítéséhez szükséges, 4 fő esetén megközelítőleg napi 10 kWh nagyságú hőmennyiség is.
Az ábrán a hőszükséglet mellett látható a különböző nagyságú (5-40 m 2 ) szelektív síkkollektor felületekkel hasznosítható napenergia mennyisége is. Az ábra alapján az alábbi következtetéseket lehet levonni:
Viszonylag kis napkollektor felülettel (5 m 2 ) az éves melegvíz-szükségletet közel 70%-ban elő lehet állítani, ezzel a ház teljes hőszükségletének 14%-a fedezhető.
Ha a napkollektorokkal a fűtésrásegítés is cél, akkor látható, hogy a hideg téli hónapokban nagy napkollektor felülettel is csak viszonylag szerény eredményt lehet elérni, az átmeneti időszakokban (tavasszal és ősszel) viszont akár 100%-ban is fedezhető kollektorokkal a fűtés hőigénye.
Ha a fűtés miatt nagy napkollektor felületet alkalmazunk, akkor nyári félévben óriási mennyiségű hasznosítható napenergia megy veszendőbe. Ezért célszerű a kollektorokkal nyáron nyerhető hőenergiát is felhasználni, pl. szabadtéri medencék vizének fűtésére. Az ilyen hármas célú rendszerrel kiemelkedően magas éves hatásfokot lehet elérni.
Napkollektorokkal tehát Magyarországon reális beruházás mellett nem lehet ugyan 100%-ban fedezni az épületgépészeti hőigényeket, de jelentős mértékű, akár 60-70%-os éves megtakarítás is elérhető. Ez hatalmas mennyiségű energia, amit nem lenne szabad veszni hagyni. Nagy méretű, központi naperőművek építésére a magyarországi klíma nem alkalmas, azonban sok kis méretű, lokális napkollektoros rendszerrel érezhetően csökkenteni lehetne az ország fosszilis energiahordozó-felhasználását, és így a környezetszennyezés mértékét is.
A napkollektorok működése
A napsugárzást a különböző tárgyak anyaguktól, kialakításuktól függő részarányban visszaverik, elnyelik vagy átengedik. Hő akkor keletkezik, ha a napsugárzást az anyag elnyeli. Ezért a napkollektoros hőhasznosító berendezések célja a napsugárzás minél nagyobb részarányú elnyelése. Azt a berendezést, ami a napsugárzást elnyeli és hővé alakítja, napkollektornak nevezzük. (Fontos tisztázni a napkollektor és a napelem közötti különbséget. A napelem teljesen más elven működik, és egyenáramot állít elő.) A napkollektorok legelterjedtebb típusa a síkkollektor, ami egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozban elhelyezett csőjáratos fekete lemez. Felépítése az 5. ábrán látható.
A napkollektorok legfontosabb eleme az elnyelőlemez, az ún. abszorber. Ennek feladata a napsugárzás elnyelése és hővé alakítása, valamint a keletkezett hő átadása a kollektorban keringő munkaközegnek. A napsugárzást minden fekete színű és matt felületű anyag jó hatásfokkal elnyeli, azonban ha környezeti hőmérséklet fölé melegednek, maguk is sugárzóvá válnak, ami veszteséget jelent. A hősugárzás hullámhossza a sugárzó test hőmérsékletétől függ. A napsugárzás a magas hőmérsékletű Napból származik, ezért ez rövid hullámhosszú sugárzás, míg a Naphoz képest alacsony hőmérsékletű abszorberlemez hosszú hullámhosszú sugárzást bocsát ki. A jó hatásfokú napkollektorok abszorberlemezét ezért olyan ún. szelektív bevonattal látják el, mely a rövid hullámhosszú napsugárzást elnyeli, míg a saját hosszú hullámhosszú sugárzását nem engedi át, azt visszaveri. Így a szelektív napkollektoroknak minimális a sugárzási veszteségük. A napkollektor-gyártók s zelektív bevonatként többnyire feketekróm-, nikkel-, vagy titánium-oxid-rétegeket alkalmaznak.
A napkollektorok hatásfoka
A napkollektorok a felületükre érkező napsugárzást csak bizonyos veszteségekkel tudják átalakítani hasznos hőenergiává. A veszteségek optikai- és hőveszteségekre oszthatók. Az optikai veszteség - ami nem függ a kollektorok hőmérsékletétől - az üvegfelület visszaverése és elnyelése, valamint az abszorberfelület visszaverése. A hőveszteség - ami erősen függ a kollektor és a környezeti levegő közötti hőmérséklet-különbségétől - a napsugárzás hatására felmelegedett abszorberlemez sugárzás, konvekció és hőátadás útján létrejövő vesztesége.
Hőtermelő berendezések esetében a hatásfok a hasznosított és a bevitt hőmennyiség arányát fejezi ki. A napkollektorok "tüzelőanyaga" a Nap elektromágneses sugárzása. Ezért napkollektorok esetében a hatásfok a kollektorral hasznosított hőenergia és a napkollektorok felületére érkező napsugárzás energiájának arányát fejezi ki.
A hatásfok tehát azt mutatja meg, hogy a napkollektorok a felületükre érkező napsugárzást mekkora veszteséggel tudják átalakítani hasznos hőenergiává. Egy síkkollektor veszteségei átlagosnak tekinthető nyári nap sugárzási és hőmérséklet viszonyai esetén a 7. ábrán láthatók.
A napkollektor veszteségeit és így a hatásfokát is jelentősen befolyásolják a pillanatnyi hőmérsékleti és napsugárzási viszonyok. A 7. ábra is csak egy pillanatnyi állapotot mutat. Ha megváltozik a külső hőmérséklet vagy a napsugárzás erőssége, akkor a kollektorok hatásfoka is módosul. Vagyis a hatásfokot nem lehet egy számmal kifejezni, mert az állandóan változik egy maximális érték és a nulla között. Ezért a kollektorok hatásfokát egzaktan csak grafikonnal vagy matematikai egyenlettel lehet megadni. Egy szelektív síkkollektor hatásfokgörbéje a 8. ábrán látható.
A görbéből látható, hogy a kollektorok hatásfoka akkor a maximális, ha a vízszintes tengelyen lévő paraméter, X értéke nulla. Ez pedig csak akkor lehetséges, ha X képletében a számláló értéke nulla, vagyis a kollektorok hőmérséklete éppen megegyezik a környezeti levegő hőmérsékletével. Ezt a pontot nevezik optikai hatásfoknak, amit tévesen a kollektorok hatásfokaként szoktak megadni. Ez azonban félrevezető. Az optikai hatásfoknak megfelelő körülmények a gyakorlatban ritkán vagy soha nem fordulnak elő. A levegő hőmérséklete még nyáron is csak 20-30 °C, a kollektorok hőmérséklete pedig csak akkor lehet ugyanennyi, ha maximum 10-20°C-os vizet fűtenek. Természetesen lehet ilyen üzemmód nyáron, a hálózati hideg víz előmelegítésekor vagy medencék fűtésekor, de általában nem ez a jellemző.
A kollektorok pillanatnyi hatásfoka tehát üzemállapottól függően nulla és egy maximális, általában 80% körüli érték között mozog. Jellemzően egy derült napon, átlagos hőmérsékletviszonyok esetén a kollektorok hatásfoka 60% körüli érték. De vajon mekkora a kollektorok éves hatásfoka? Erre a kérdésre még nehezebb válaszolni, mert az éves hatásfok nem csak a kollektorok minőségétől, hanem a napkollektoros rendszer kihasználtságától is függ. Túlméretezett, magas szoláris részarányra törekvő rendszernél, az átlagosnál erősebb napsütés esetén a kollektorokkal hasznosítható napenergiát a rendszer már nem tudja fogadni, ezért a többlettermelés elvész, az éves hatásfok alacsony. Ugyanakkor alulméretezett rendszernél mindig biztosított a kollektorokkal hasznosított napenergia felhasználása, ezért magas éves hatásfok érhető el. A szoláris részarány és az éves hatásfok összefüggése a 9. ábrán látható.
Magyarország meteorológiai adottságai mellett átlagos használati melegvíz-készítő napkollektoros rendszert alapul véve reálisan elérhető 50-70%-os szoláris részarány. Ekkor a kollektoros rendszer éves hatásfoka 30-40%, vagyis a napkollektorok az érkező napsugárzás 30-40%-át tudják hasznosítani. Magyarországon 1 m 2 déli tájolású és 40° körüli dőlésszögű felületre megközelítőleg évi 1450kWh energia érkezik a Napból. Az éves hatásfok figyelembevételével tehát kollektorokkal ebből átlagos esetben ~500 kWh hasznosítható. Ha a kollektoros rendszer csak időszakos kihasználtsággal üzemel, és a napkollektoroknak viszonylag magas hőmérsékletet kell előállítaniuk, akkor ez lecsökkenhet 300-400 kWh-ra is. Ha viszont a kollektorok egész évben, folyamatoson ki vannak használva, és viszonylag hideg vizet kell melegíteniük, a hasznosított éves napenergia elérheti a 800-900 kWh/m 2 -t is. Ez jelentős energiamennyiség. Gondoljunk például arra, hogy ugyanekkora energiát egy 20 kW-os kazán 40-45 órás üzemével tudnánk előállítani.
Napkollektoros rendszerek állami támogatása
Magyarország immár teljes jogú tagja az Európai Uniónak, ahol előírások szabályozzák a megújuló energiaforrások felhasználásának arányát a teljes energiafelhasználáshoz képest. Az 1997-ben az Európai Parlament által elfogadott zöld könyv szerint ennek az aránynak 2010-re az Unió átlagában el kell érnie a 12%-ot. Magyarországon ez az arány jelenleg 3,6%, ezen belül a napenergia részesedése csak 0,2%, vagyis a teljes energiafelhasználáshoz viszonyítva Magyarországon a napenergia részesedése mindössze 0,0072%. Ez messze elmarad az érkező napenergia kínálta lehetőségektől és az uniós elvárásoktól is.
Ha a lemaradásunkon változtatni szeretnénk, akkor a mindenkori kormányoknak sokkal nagyobb hangsúlyt kellene fektetnie a megújuló energiák támogatására. A megújuló energiák a mai feltételek mellett támogatás nélkül nem tudnak versenyezni a hagyományos fosszilis energiahordozókkal. Bár a rendelkezésre álló megújuló energiák mennyisége óriási, energiasűrűségük azonban alacsony, ezért hasznosításuk viszonylag költséges. A hagyományos energiahordozók viszont ma még nagy mennyiségben és viszonylag könnyen kitermelhetően állnak rendelkezésre. A ma meglévő energetikai infrastruktúra is kizárólag a fosszilis energiahordozók alkalmazására épült ki. Hatalmas méretű energialobby érdekelt abban, hogy továbbra is folytatódjon a rablógazdálkodásszerű kitermelés. Ha azonban egy kicsit előbbre tekintünk, világosan látható, hogy a fejlődő országok energiaigényének várható növekedése miatt az emberiség energiaigénye a mostani módon nem fedezhető. A ma ismert hagyományos energiahordozó készletek 50-100-150 év múlva kimerülnek, az elégetésükkel járó környezetszennyezés pedig felborítja a Föld energia-egyensúlyát. A megoldás csak a meglévő készletekkel történő takarékoskodás és a megújuló energiák minél nagyobb mérvű felhasználása lehet. A megújuló, a környezetet nem terhelő energiaforrások támogatása tehát nem gazdasági kérdés, erre a Földi élet megóvása érdekében van szükség.
Varga Pál
