A napsugárzás alapjai

Ha valaki napenergia-hasznosító rendszer megvalósítására adja a fejét, akkor elengedhetetlen, hogy legalább alapfokon tisztában legyen a napsugárzás jellemzőivel. E nélkül ugyanis nem lehet megérteni, hogy milyen lehetőségeket kínál a napsugárzás a hőtechnikai hasznosítás számára, és a napkollektorokkal mikor, és milyen részarányban tudjuk a hagyományos energiahordozókat kiváltani. Ezért az alábbi írás – ami egy napkollektoros rendszerekről szóló tanműhely cikksorozat első része – a napsugárzás alapvető, gyakorlatban is használható tulajdonságait foglalja össze.

Nézzük először a Nap alapvető jellemzőit. A Nap teljes tömegében gáznemű, döntő többségében plazma állapotban lévő hidrogénből álló gáztömb. Belsejében magfúzió, vagyis termonukleáris hőtermelés zajlik, melynek során hidrogén egyesül héliummá. A Nap földről látható korongja a gömb alakú naptest, ennek külső felülete az ún. fotoszféra. A fotoszféra hőmérséklete megközelítőleg 6000 K. A magas hőmérséklet következtében a Nap a hideg világűr felé rövid hullámhosszú elektromágneses (fény-) sugárzást bocsát ki. A Nap sugárzó teljesítménye 4×1023 kW, melyből a földfelszín részesedése eléri a 173×1012 kW-ot. Ezek persze emberi léptékkel nézve felfoghatatlanul nagy számok, de a földre érkező napenergia nagyságát jól jellemzi, hogy mennyisége egy óra alatt több mint amekkora az emberiség teljes éves energiafelhasználása. További biztató tény, hogy bár a Nap már 5 billió éves, az asztrofizikusok még további 5 billió éves élettartamot jósolnak neki. Úgy tűnik tehát, hogy legalábbis emberi léptékkel nézve, a Nap biztos és kimeríthetetlen energiaforrásként áll a rendelkezésünkre.

A napsugárzás legfontosabb, már a gyakorlatban is használható mérőszáma az ún. napállandó. Ez a napsugárzás teljesítményét adja meg, a földi légkör külső határán. Értéke megközelítőleg 1360 W/m2. Ez azt jelenti, hogyha a napkollektorunkat sikerülne a légkörön kívül, a világűrben felszerelni, és mindig a nap felé forgatni, akkor a kollektor felületét folyamatosan ez a teljesítményű napsugárzás érné. Sajnos azonban egy hazai szerelőnek viszonylag kevés esélye kínálkozik arra, hogy egy ilyen szép feladattal bízzák meg. Ha viszont a napkollektort a Föld felszínén szereljük fel, akkor ez több problémát is felvet. Egyrészt a föld légkörén és a felhőzeten áthaladva gyengül a napsugárzás, másrészt, mivel a Föld forog, így a fix helyen felszerelt napkollektor felületét – évszaktól és földrajzi helytől függően – csak napi 5-10 órán keresztül éri elfogadható szögben a napsugárzás.

1. ábra

A Föld felszínén mérhető napsugárzás értékek

A légkör a földfelszínre érkező napsugárzás kiszámítható állandó, kiszámítható gyengülését okozza. Amikor a napsugárzás áthalad a földi légkörön keresztül, akkor az - mint minden anyag – elnyeléssel és visszaveréssel gyengíti a napsugárzást. Így a légkör feletti 1360 W/m2 teljesítményből a földfelszínre már csak maximum 1000 W/m2 marad. És ez is csak a déli órákban, ha teljesen derült az idő, felhők nincsenek az égen. Ha pedig borult, felhős az időjárás, akkor ez természetesen további gyengülést okoz (1. ábra). Vékony, szórványos felhők esetén a napsugárzás értéke 700-800 W/m2, kiterjedtebb felhők esetén már csak 500-600 W/m2, és sűrű, sötét felhőtakaró esetén akár 50-100 W/m2 értékre is lecsökken.

Egy adott földrajzi helyen a felhőzet gyakoriságát, a derült és borult napok számát, valamint a földfelszínen mérhető napsugárzást sok éves méréseken alapuló meteorológiai adatsorok adják meg. Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8° és 48,6° között található. A statisztikák szerint a napsütéses órák száma megközelítőleg évi 2100 óra, a vízszintes felületre érkező napsugárzás éves hőmennyisége ~1280 kWh/m2, déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felületé pedig ~1370 kWh/m2. Magyarország egyes területei között a napsugárzás szempontjából nincsenek nagyon jelentős eltérések. A legnaposabb rész az ország középső, déli része, a legkevesebb a napsütés az északi és nyugati részen. A legnagyobb eltérés az egyes országrészek között 8% körüli. Ezért, amikor hazai napkollektoros rendszert méretezünk, igazából nem szokás túlzottan figyelembe venni a földrajzi elhelyezkedést. Ha a megrendelő a kedvezőtlenebb adottságú északi országrészből való, akkor vigasztalásul az osztrák, vagy német napsugárzási térképeket szokás mutogatni, ott ugyanis még kevesebbet süt a nap, mégis sokkal több a napkollektor és a napelem mint nálunk.

2. ábra

Vízszintes felületre érkező napsugárzás mennyisége

A napsugárzás geometriája

A napkollektorokkal működésének, a hasznosítható napenergia időbeli eloszlásának megértéséhez a napsugárzás geometriájának alapvető ismerete is szükséges. A legfontosabb tényt már általános iskolában is tanultuk: a Föld egyrészt a Nap körül kering, másrészt a saját tengelye körül is forog. Ez egyszerűen hangzik, az viszont kicsit bonyolítja a dolgot, hogy a Föld forgástengelye 23,5°-os szöget zár be a Nap körüli keringés tengelyével. Ezt úgy is fogalmazhatnánk, hogy a Föld a Nap körüli keringése során „imbolyog”. Ennek a következménye az, hogy a Föld egy pontjáról nézve a Nap látszólagos pályája, és így a nappalok hossza, vagyis a napsütés elméleti időtartama az év folyamán napról-napra változik. Télen alacsonyabb, nyáron magasabban pályát jár be a Nap, és így a napsütés hossza is lényegesen több nyáron, mint télen. A 3. ábrán – ami szemlélteti a föld pályáját – látható az is, hogy Magyarország földrajzi szélességén a nyári delelési napmagasság 66°, míg ugyanez a legrövidebb téli napon mindössze 19°.

3. ábra

A Föld keringési pályája a Nap körül

A Magyarországra jellemző nappályát szemléletesebben is láthatjuk a 4. ábrán. Talán ezen az ábrán jobban érzékelhetjük a téli és a nyári nappálya közötti különbséget. Az ábra alapján levonhatjuk azt a következtetést, hogy a napkollektorok elhelyezése szempontjából fontos, hogy elsősorban mikor, milyen célra szeretnénk használni a napkollektoros rendszert. Ha egész évben egyenletesen van szükségünk a napenergiára – ilyen pl. egy használati-melegvíz készítő rendszer – akkor a napkollektorok optimális dőlésszöge 40-45°. Ha viszont csak nyáron akarunk fűteni pl. egy szabadtéri medencét, akkor inkább laposabb, 30° körüli dőlésszöget alkalmazzunk, hiszen a Nap ebben az időszakban magasan jár. És a legfontosabb: ha a téli fűtésrásegítés a cél, akkor meredekebb, 50-60°-os dőlésszöggel célszerű elhelyezni a napkollektorokat azért, hogy a téli laposabb napsütés is megfelelő szögben érkezzen a napkollektorok felületére.

4. ábra

A Nap látszólagos pályája Magyarországról nézve

A napkollektorok elhelyezésénél természetesen nem csak dőlésszög, hanem a megfelelő tájolás is fontos. A legtöbb napsugárzás déli tájolású felületre érkezik, ezért lehetőleg a napkollektorunkat is délre tájolva kell elhelyezni. A helyszín adottságai – pl. a rendelkezésre álló tetőfelületek – azonban sokszor nem teszik lehetővé a pontosan déli tájolást. Ilyenkor nem kell elkeseredni, és főleg nem kell mindenféle bonyolult és ronda acélszerkezeteket alkotnunk azért, hogy a kollektorokat a tető síkjától eltérően egzaktul délre fordítsuk. Ez ugyanis általában messze nem hoz olyan eredményt, ami indokolná eme buzgalmunkat. Ha ugyanis eltérünk az optimális tájolástól és dőlésszögtől, akkor a kollektorok felületére érkező napenergia mennyisége csak kis mértékben csökken. A csökkenés mértéke az 5. ábrán látható. Az ábrából leolvasható, hogyha pl. 40°-os dőlésszög mellett déli tájolás helyett délnyugati tájolást alkalmazunk, akkor a napsugárzás jövedelem csak kb. 5%-al csökken, de pl. teljesen nyugati, vagy keleti tájolás esetén is csak 25% körüli a csökkenés. Fontos azonban, hogy ezek a viszonyszámok egész éves használatra vonatkoznak. Ha a napkollektoros rendszer célja elsősorban a téli fűtésrásegítés, akkor már sokkal fontosabb a minél inkább pontosabb déli tájolás biztosítása, hiszen télen a napsugárzás rövidebb ideig, és döntően csak a déli irányból érkezik. Felmerülhet persze az is, hogy a kollektorokat szereljük fel forgatható, napkövető módon. Alaposabb vizsgálat azonban azt mutatná, hogy a forgatás miatt fellépő bonyolultság és költségnövekedés nem áll arányban az ilyen módon elérhető teljesítmény növekedéssel.

5. ábra

Az éves napsugárzás-jövedelem csökkenése

a dőlésszög és tájolás függvényében

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 déli tájolású és 45°-os dőlésszögő felületen mérve. 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 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 pl. az egyes időszakok átlagos napsugárzási szintje, ami a mértezések kiindulási adata lehet. Magyarországon az egyes évszakokban a következő napi sugárzásjövedelem értékekkel lehet számolni: télen 1800 kWh/m2, tavasszal 4600 kWh/m2, nyáron 5500 kWh/m2, ősszel pedig 3300 kWh/m2. Leolvasható az ábrából az is, hogy az éves napsugárzás kb. kétharmada a nyári félévben érkezik, és a téli félévre csak egyharmados rész marad. Ez persze az épületgépészek számára meglehetősen rossz hír, hiszen nekünk éppen télen kellene több energia. A napsugárzás eloszlásán azonban változtatni nem tudunk, ezért nem tehetünk mást, mint hogy korrektül vesszük számításba a napsugárzási adatokat, és azzal számolunk, ami reálisan elérhető. Persze a fenti adatok egyelőre csak a napsugárzásra vonatkoznak. Azt, hogy ebből napkollektorokkal mekkora részarányt tudunk hasznosítani, a következő cikkben fogjuk megvizsgálni.

6. ábra

Éves napsugárzás Magyarországon,

déli tájolású és 45°-os dőlésű felületen mérve