Magyarországi napsugárzási adatok a napenergia-hasznosítás szemszögéből

Napenergia-hasznosító rendszerek tervezésekor, méretezésekor fontos bemenő paraméter a megvalósítási helyszín napsugárzás-jövedelme. Épületgépészeti kézikönyvekben fellelhetők ugyan Magyarországra vonatkozó átlagos napsugárzási alapadatok, és ezek alkalmasak is a szokásos egyszerűsítő méretezési eljárások elvégzésére, pontosabb, alaposabb vizsgálatok számára azonban nem állnak rendelkezésre nyilvánosan közzétett, ingyenesen elérhető adatok.

A magyarországi napsugárzás-mérések az 50-es évek végén indultak be az Országos Meteorológiai Szolgálat (OMSZ) keretén belül. A méréseket ekkor még ún. Robitzsch típusú bimetálos sugárzásmérőkkel végezték, melyek jelentős hibával rendelkeztek, így e mérések adatai csak korlátozottan használhatók. Minőségi áttörésnek számított, amikor 1967-től megkezdődött a mérőhálózat korszerű, termoelektromos elven működő Kipp & Zonen érzékelőkkel történő felszerelése. Ezzel egyidejűleg a Budapest-lőrinci mérőállomáson megindult a sugárzási egyenleg, ill. komponenseinek folyamatos mérése. További jelentős fejlesztés indult meg a 90-es évek elején, mely a mérőhálózat bővítését, még pontosabb szenzorok üzembe helyezését, és korszerű adatátviteli vonalak kiépítését jelentette az ország teljes területén.

Az OMSZ-nél jelenleg a vízszintes felületre érkező globális és diffúz sugárzást, valamint a sugárzásra merőleges irányú direkt sugárzást mérik. Ezek közül elsősorban a vízszintes felület globális sugárzási adatait teszik közzé, de csak a hosszabb időszakra vonatkozó, átlagos adatokat. A részletes, órai, vagy percnyi bontású mérési adatok nem nyilvánosak, ezekhez csak díjazás ellenében lehet hozzájutni.

A napsugárzás országos eloszlása

A különböző szakkönyvek leggyakrabban a napsugárzás országos, területi eloszlását ábrázoló diagramot teszik közzé. Ez a vízszintes felületre érkező globális sugárzás éves összegét mutatja. Az általánosan elterjedt, még a régebbi, pontatlanabb méréseken alapuló diagram látható az 1. ábrán. Megfigyelhető rajta egyfajta centrikus jelleg, ami a legnagyobb napsugárzást az ország középső-déli részére teszi. Ettől némileg eltér az újabb, korszerűbb és pontosabb, műholdas mérések alapján is készített diagram, ami a 2. ábrán látható. Ez a diagram már kevésbé centrikus, sokkal inkább az a nem túl meglepő tendencia olvasható le róla, hogy a déli országrészek a legnaposabbak, míg az északi részeken kevesebb a napsütés. Fontos azonban leszögezni, hogy napsütés szempontjából Magyarország legkedvezőbb és legkedvezőtlenebb helye között a különbség mindössze kb. 8%. Ez tehát azt jelenti, hogy hazánk területén belül napsütés szempontjából nincsenek lényeges, a napenergia-hasznosító rendszerek működését döntően befolyásoló különbségek. Kijelenthető tehát, hogy az egész ország területe alkalmas a napenergia-hasznosító rendszerek létesítésére.

1. ábra                                                                                           2. ábra

Napsugárzás eloszlása régebbi mérések alapján                      Napsugárzás eloszlása újabb mérések alapján

Vízszintes felületre vonatkozó napsugárzási adatok hibája

Az általában hozzáférhető, vízszintes felületre vonatkozó napsugárzási adatok alapján a napenergia-hasznosítás szempontjából könnyen téves, félrevezető, következtetések is levonhatók. Nézzünk egy példát! A 3. ábrán egy derült téli és nyári nap sugárzásjövedelme látható. A bal oldali ábrából - ami vízszintes felületre vonatkozik - az állapítható meg, hogy a téli napsugárzás lényegesen kevesebb a nyárinál, annak csak mintegy 23%-a. Ebből azt az elkeserítő következtetést lehetne levonni, hogy télen - még derült, napos idő esetén is - a napból érkező hőmennyiség nagyon kevés, ami nem teszi lehetővé a gazdaságos hasznosítást. Ha viszont - a jobb oldali ábra alapján - ugyanezen derült napok sugárzásjövedelmét vizsgáljuk meg, de a napenergia-hasznosítás gyakorlatában általában alkalmazott 45°-os dőlésszögű és déli tájolású felületre, akkor már lényegesen kedvezőbb képet kapunk: a téli sugárzásjövedelem már 66%-a nyárinak. Vagyis, bár télen a napsugárzás elméleti időtartama rövidebb, és a sugárzás nagysága is kicsivel alacsonyabb, a különbség még sem olyan jelentős, ami megkérdőjelezné a téli hasznosíthatóság realitását. A valóságban a probléma nem is a derült napokon van. A téli napenergia-hasznosítás korlátját elsősorban az ebben az időszakban lényegesen gyakoribb felhős, borult napok jelentik.

3. ábra

Téli és nyári, derült nap sugárzási adatai

Akkor hát mérjük 45°-os dőlésű, déli tájolású felületen!

Persze, gondolhatnánk azt is, hogy mivel az iskolában remélhetőleg mindenki megtanulta a szögfüggvényeket, ezért a vízszintes felületre vonatkozó napsugárzási adatokat könnyedén átszámíthatjuk tetszőleges elhelyezkedésű felületre. Ez azonban a valóságban nem így van. Geometriai összefüggésekkel számítani csak a direkt napsugárzást lehet. A hazánkban jelentős részarányt képviselő, felhős napokon közel 100%-os részarányú szórt sugárzás számítására már nincsenek egzakt összefüggések. Ezért a Naplopó Kft-ben 2003 év végén úgy határoztunk, hogy végére járunk a dolognak, és elkezdjük mérni és regisztrálni a napenergia-hasznosítás szempontjából legjelentősebb, déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felület napsugárzás jövedelmét.

A méréshez beszereztünk egy a globálsugárzás mérésére szolgáló Kipp & Zonen gyártmányú piranométert, és ezt hitelesíttettük az OMSZ-el. Így a mérést elvileg 2%-os pontossággal tudtuk elvégezni. Néhány hónapos mérés után azonban azt tapasztaltuk, hogy a mért értékek magasabbak annál, mint amire számítottunk (pontosabban annál, amit a vízszintes felületre vonatkozó adatokból átszámoltunk). Ezt a gyanúnkat közöltük az OMSZ-el is, ahol szintén túlságosan magasnak tartották az általunk mért sugárzási adatokat. A dolgot tisztázandó, kb. egy hónap időtartamra az OMSZ egy kontrol piranométert és adatgyűjtőt telepített a saját mérőberendezésünk mellé (4. ábra). Az eredmény azonban az lett, hogy a mért adatok mégiscsak pontosak, és a tényleges napsugárzás valóban magasabb annál, mint amire eddig elméleti számítások alapján számítottunk.

4. ábra

Mérés és kontrolmérés (középen a saját, jobb oldalon az OMSZ műszere)

A meteorológiai szakkönyvekben általában az olvasható, hogy a földfelszínen a napsugárzás maximális értéke nem haladja meg az 1000 W/m2 értéket. Ezért eleinte mérési hibára gyanakodtunk akkor is, amikor - bár rövid időszakokban - de ennél magasabb, 1200 W/m2 körüli értékeket is mértünk. Főleg az volt furcsa, hogy a magas értékek nem derült, hanem felhős idő esetén jelentkeztek. Aztán rájöttünk, hogy ez sem hiba, hanem valóban ilyen magas is lehet a napsugárzás pillanatnyi értéke. A jelenség oka az, hogy szórványos, szakadozott felhőzet esetén van olyan állapot, amikor a napot éppen nem takarja el a felhőzet, ezért a teljes direkt sugárzás gyengítetlenül megérkezik a mérő felületre, a nap körül lévő felhőzetről pedig még további, jelentős nagyságú szórt sugárzás is érkezik. Ez az állapot persze csak rövid ideig tart, és összességében egy felhőtlen, derült nap sugárzásjövedelme természetesen magasabb, mint egy felhősebb napon. Ez a jelenség jól látható az 5. ábrán. A derült nap sugárzási eloszlása geometriai összefüggések szerinti szabályos görbe, míg a változékony nap sugárzása e szabályos görbe körül váltakozik néhány 100 W/m2-es amplitúdóval. Az ábrán feltüntettünk egy olyan borult, esős napot is, amikor a sugárzás olyan gyenge, hogy abból napkollektorokkal már semmit sem lehet hasznosítani.

5. ábra

Derült, változékony és erősen borult nyári nap sugárzásviszonyai

A napsugárzás éves eloszlása

A napsugárzás, mint minden időjárási adat meglehetősen szeszélyes, Azt, hogy egy adott napon mekkora lesz a napsugárzás, nem lehet előre kiszámítani. A 6. ábra a 2004. évi napsugárzás eloszlását ábrázolja. A felső ábrán - ahol az adatok napi bontásban szerepelnek - jól látható a szeszélyes jelleg, a borult és a derült napok véletlenszerű váltakozása. Ebből az ábrából maximum annyi állapítható meg, hogy nyáron a napsütés értékek valamivel magasabbak mint a téli félévben, és a derült napok gyakorisága is magasabb. Az alsó ábrából viszont - ahol a sugárzási adatok 30 napos átlagértékkel szerepelnek - már lényegesen több információ kiolvasható. Meghatározható az egyes időszakok átlagos napsugárzási szintje, ami a mértezések kiindulási adata lehet. Leolvasható az ábrából az is, hogy az éves napsugárzás kb. kétharmada a nyári félévben érkezik, és a téli félévre csak egyharmados rész marad.

6. ábra

A napsugárzás éves eloszlása 2004-ben

Az átlagos adatok hibája

A napenergia-hasznosító rendszerek méretezése általában a fentiek szerint meghatározott átlagos, napi sugárzási adatok alapján történik. Például Magyarországon, déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felületre az érkező napsugárzás átlagos hőmennyisége a nyári félévben megközelítőleg 5,5 kWh/(m2.nap), amiből napkollektorokkal ~3 kWh hasznosítható. A téli időszakban ugyanakkor a napsugárzás hőmennyisége ~1,5-2,5 kWh/(m2.nap), amiből napkollektorokkal kb. 0,5-1,5 kWh hasznosítható. Az átlagos sugárzási adatokkal történő méretezésből azonban könnyen téves következtetéseket is le lehet vonni.

Nézzünk két konkrét példát! A 7. ábrán 2005. június hónap sugárzási adatai láthatók. Az átlagos napi sugárzás 5760 kWh/m2. Ha ezzel a magas átlagértékkel számolunk, akkor ebből az következik, hogy egy jól méretezett használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszer ebben a hónapban folyamatosan, minden nap elő tudja állítani a szükséges melegvíz mennyiséget. A valóságban azonban a helyzet az, hogy a magas átlagos érték elfedi a június 8-tól 12-ig tartó alacsonyabb sugárzásjövedelmű periódust, amikor is - hacsak nincs a tároló térfogat jelentősen túlméretezve - a kollektoros rendszer nem képes fedezni a teljes melegvíz szükségletet. Ilyenkor aztán családi házak esetén vizsgázhat ökológiából a tulajdonos. El kell ugyanis döntenie, hogy néhány napig langyos vízben, rövidebb ideig zuhanyozik, de nem indítja be a hagyományos melegvíz készítést, vagy fontosabb neki a kényelem és a komfort, ezért nyáron sem kapcsolja ki az automatikusan melegvizet is készítő gázkazánt, vagy elektromos fűtőpatront. A tapasztalat az, hogy a napkollektoros rendszerek tulajdonosai között egyre többen vannak azok, akik az előbbi módszert választják, és jó érzéssel tölti el őket az, hogy ez által ők alkalmazkodnak a természet, a napsugárzás adottságaihoz, nem pedig a mindent megoldó, energiafaló technikától várják el a maximális komfortot.

7. ábra

Napi sugárzási adatok, 2005. június

Az átlagos sugárzási adatok használata a téli időszak méretezésénél is helytelen eredményre vezethet. A 8. ábrán 2006. január hónap sugárzási adatai láthatók. Az átlagos napi sugárzás igen alacsony, mindössze 1725 kWh/m2. Ez alapján méretezve azt kapnánk eredményül, hogy bizony napkollektorokkal egész januárban nem sok mindent tudunk kezdeni. A valóságban azonban az alacsony átlag úgy jön ki, hogy van 18 teljesen használhatatlan nap, viszont van két rövidebb időszak, amikor a napi sugárzás eléri a 3-4 kWh-t, és ekkor a napkollektorok már szépen működnek.

8. ábra

Napi sugárzási adatok, 2006. január

Biztató jövő?

Végezetül nézzünk egy a napenergia-hasznosítás szempontjából biztató, a Föld jövője szempontjából pedig talán kevésbé lelkesítő statisztikát. A 9. ábrán a Budapest területén vízszintes felületre érkező napsugárzás éves hőmennyiségei láthatók 1967-től 2005-ig. A trendvonalból egyértelműen kiolvasható, hogy a földfelszínt elérő napsugárzás mennyisége növekszik. Látható az is, hogy az elmúlt 40 év két legnaposabb éve a közelmúltban, 2000-ben és 2003-ban volt. Úgy tűnik tehát, hogy a Nap energiájára egyre nagyobb mértékben számíthatunk. Ez a tendencia persze lehet véletlen is, de sokkal valószínűbb, hogy mindez az üvegház hatás miatti globális felmelegedés következménye.

9. ábra

Vízszintes felületre érkező éves napsugárzási adatok

   Felhasznált irodalom: Napsugárzás, ózon és UV-B mérések az Országos Meteorológiai Szolgálatnál