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 bõség persze nem jelent feltétlenül minõséget is. Éppen ennek a területnek az újdonsága teszi azt lehetõvé, hogy az ilyen rendszereket forgalmazók sokszor irreális ígéretekkel nyerik el a megrendelõk bizalmát. Érthetõ az, hogy a Nap ingyenes, tiszta energiáját mindenki szeretné hasznosítani. Ahhoz azonban, hogy a leendõ megrendelõ 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 a hõigényét.

Az elsõ tisztázandó kérdés: Magyarországon mekkora a hasznosítható napenergia mennyisége? Létezik olyan vélemény, mely szerint a hazai napsugárzás túl kevés a reális hasznosításhoz. Az ilyen kétkedõket azonban célszerû 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. 50.0002-re becsülik. Ha megvizsgáljuk az országok rangsorát az egy lakosra esõ napkollektorfelület szempontjából (1. ábra), akkor látható, hogy a napkollektorok alkalmazásában élenjáró országok többségében a hasznosítható napsugárzás kevesebb, mint Magyarországon (Ausztria, Dánia, Svájc, Németország, Svédország).

1. ábra A lakosság számához viszonyított napkollektorfelület nagysága (2000 évi adatok)

Ha a nálunk rosszabb meteorológiai adottságokkal rendelkezõ országok is elõttünk járnak a napkollektoros rendszerek megvalósításában, akkor valószínûleg a hazai napsugárzásnak is elegendõnek kell lennie. Magyarországon a napsütéses órák száma megközelítõleg évi 2100 óra, derült idõ esetén a déli órákban a napsugárzás teljesítménye eléri, rövid idõre akár meg is haladja az 1000 W/m2 értéket. A 2. ábrából látható, hogy Magyarországon 1 m2 déli tájolású és 45°-os dõlésû felületre a nyári hónapokban naponta több mint 5 kWh hõmennyiség érkezik, és ebbõl 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 hõtermelésre.

2. ábra Déli tájolású és 45°-os dõlésû felületre érkezõ, valamint hasznosítható napsugárzás

A hasznosítható napsugárzás mennyiségét természetesen befolyásolja a napkollektorok elhelyezése, vagyis dõlésszöge és tájolása. Az optimális tájolás általában mindig déli, de az optimális dõlésszög már függ a földrajzi helyzettõl és a felhasználás idõszakától. Magyarországon a legtöbb napsütés - megközelítõleg évi 1450 kWh/m2 déli tájolású és 40° körüli dõlésszögû felületre érkezik.

A napkollektorok dõlésszögét és tájolását általában meghatározza a rendelkezésre álló tetõfelület, ami persze sokszor nem egyezik meg a kívánatossal. A 3. ábrán látható, hogy egész éves felhasználás esetén a hasznosítható napsugárzás hogyan csökken az optimális elhelyezéstõl való eltérés függvényében. Jelentõs csökkenés csak függõleges dõlés, és keleti vagy nyugati tájolás közelében tapasztalható. Ezért nem kell elkeseredni, ha a tetõfelület nem pont déli, és 40° körüli dõlésû, hiszen pl. délkeleti tájolás és 30°-os dõlés esetén a sugárzásjövedelem csökkenés mindössze 10%. Felmerülhet az a kérdés is, hogy célszerû-e a Nap irányába forgatni a kollektorokat. Mivel a napsugárzás jelentõs része határozott irány nélküli szórt sugárzás, ezért a napkövetéssel elérhetõ teljesítmény növekedés általában nem áll arányban a forgatás miatti bonyolultság- és költségnövekedéssel.

3. ábra A napsugárzás csökkenése az elnyelõfelület elhelyezkedésének függvényében

Mire elegendõ a Magyarországon hasznosítható napenergia? Ennek megválaszolásához azt is tudnunk kell, hogy mekkora az épületgépészeti hõigény. Nézzünk egy példát: családi ház, 120m2 fûtött alapterülettel. Egy ekkora épület fûtési hõszükséglete - ami azt mutatja meg, hogy a méretezési külsõ hõmérséklet (pl. -13°C) esetén mekkora teljesítményû fûtési rendszer szükséges - megközelítõleg 10-15 kW. A valóságban azonban ilyen hideg vagy egyáltalán nincs, vagy csak néhány napig tart, ezért a tényleges hõszükséglet a fûtési szezon legnagyobb részében alacsonyabb. A hõszükséglet éves alakulása számítógépes szimuláció alapján a 4. ábrán látható. A vizsgált épület fûtésének hõszükséglete a teljes fûtési idõszakban megközelítõleg 13.500 kWh. Az ábrán látható a melegvíz készítéséhez szükséges, 4 fõ esetén megközelítõleg napi 10 kWh nagyságú hõmennyiség is.

4. ábra A vizsgált épület hõszükséglete, és a kollektorokkal hasznosítható napsugárzás

Az ábrán a hõszükséglet mellett látható a különbözõ nagyságú (5-40m2) szelektív síkkollektor felületekkel hasznosítható napenergia mennyisége is. Az ábra alapján az alábbi következtetéseket lehet levonni:

• Viszonylag kis napkollektor felülettel (5m2) az éves melegvíz szükségletet közel 70%-ban elõ lehet állítani, ezzel a ház teljes hõszükségletének 14%-a fedezhetõ.
• Ha a napkollektorokkal a fûtés rásegítés is cél, akkor látható, hogy a hideg téli hónapokban nagy napkollektor felülettel is csak viszonylag szerény eredményt lehet elérni, az átmeneti idõszakokban (tavasszal és õsszel) viszont akár 100%-ban is fedezhetõ kollektorokkal a fûtés hõigénye.
• Ha a fûtés miatt nagy napkollektor felületet alkalmazunk, akkor nyári félévben óriási mennyiségû hasznosítható napenergia megy veszendõbe. Ezért célszerû a kollektorokkal nyáron nyerhetõ hõenergiát is felhasználni pl. szabadtéri medencék vizének fûtésére. Az ilyen hármas célú rendszerrel kiemelkedõen magas éves hatásfokot lehet elérni.

Napkollektorokkal tehát Magyarországon reális beruházás mellett nem lehet ugyan 100%-ban fedezni az épületgépészeti hõigényeket, de jelentõs mértékû, akár 60-70%-os éves megtakarítás is elérhetõ. Ez hatalmas mennyiségû energia, amit nem lenne szabad veszni hagyni. Nagy méretû, központi naperõmûvek építésére a magyarországi klíma nem alkalmas, azonban sok kis méretû, lokális napkollektoros rendszerrel érezhetõen csökkenteni lehetne az ország fosszilis energiahordozó felhasználását, és így a környezetszennyezés mértékét is.

A napkollektorok mûködése

A napsugárzást a különbözõ tárgyak anyaguktól, kialakításuktól függõ részarányban visszaverik, elnyelik, vagy átengedik. Hõ akkor keletkezik, ha a napsugárzást az anyag elnyeli. Ezért a napkollektoros hõhasznosító berendezések célja a napsugárzás minél nagyobb részarányú elnyelése. Azt a berendezést, ami a napsugárzást elnyeli, és hõvé alakítja napkollektornak nevezzük. (Fontos tisztázni a napkollektor, és a napelem közötti különbséget. A napelem teljesen más elven mûködik és egyenáramot állít elõ.) A napkollektorok legelterjedtebb típusa a síkkollektor, ami egy elõl üvegezett, hátul hõszigetelt lapos dobozban elhelyezett csõjáratos fekete lemez. Felépítése az 5. ábrán látható.

5. ábra Síkkollektorok általános felépítése

A napkollektorok legfontosabb eleme az elnyelõlemez, az ún. abszorber. Ennek feladata a napsugárzás elnyelése, és hõvé alakítása, valamint a keletkezett hõ átadása a kollektorban keringõ munkaközegnek. A napsugárzást minden fekete színû, és matt felületû anyag jó hatásfokkal elnyeli, azonban ha környezeti hõmérséklet fölé melegednek maguk is sugárzóvá válnak, ami veszteséget jelent. A hõsugárzás hullámhossza a sugárzó test hõmérsékletétõl függ. A napsugárzás a magas hõmérsékletû Napból származik, ezért ez rövid hullámhosszú sugárzás, míg a Naphoz képest alacsony hõmérsékletû 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 szelektív bevonatként többnyire feketekróm, nikkel-, vagy titánium-oxid rétegeket alkalmaznak.

6. ábra Hagyományos fekete és szelektív felület sugárzási vesztesége

A napkollektorok hatásfoka

A napkollektorok a felületükre érkezõ napsugárzást csak bizonyos veszteségekkel tudják átalakítani hasznos hõenergiává. A veszteségek optikai- és hõveszteségekre oszthatók. Az optikai veszteség - ami nem függ a kollektorok hõmérsékletétõl - az üvegfelület visszaverése és elnyelése, valamint az abszorberfelület viszaverése. A hõveszteség - ami erõsen függ a kollektor és a környezeti levegõ közötti hõmérséklet-különbségétõl - a napsugárzás hatására felmelegedett abszorberlemez sugárzás, konvekció és hõátadás útján létrejövõ vesztesége.

Hõtermelõ berendezések esetében a hatásfok a hasznosított és a bevitt hõmennyiség arányát fejezi ki. A napkollektorok "tüzelõanyaga" a Nap elektromágneses sugárzása. Ezért napkollektorok esetében a hatásfok a kollektorral hasznosított hõenergia és a napkollektorok felületére érkezõ napsugárzás energiájának arányát fejezi ki.

A hatásfok tehát azt mutatja meg, hogy a napkollektorok a felületükre érkezõ napsugárzást mekkora veszteséggel tudják átalakítani hasznos hõenergiává.. Egy síkkollektor veszteségei átlagosnak tekinthetõ nyári nap sugárzási és hõmérséklet viszonyai esetén az 7. ábrán láthatók.

7. ábra A napkollektorok veszteségei

A napkollektor veszteségeit és így a hatásfokát is jelentõsen befolyásolják a pillanatnyi hõmérséklet és napsugárzási viszonyok. Az 7. ábra is csak egy pillanatnyi állapotot mutat. Ha megváltozik a külsõ hõmérséklet, vagy a napsugárzás erõssége, 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 egzaktul csak grafikonnal, vagy matematikai egyenlettel lehet megadni. Egy szelektív síkkollektor hatásfokgörbéje a 8. ábrán látható.

8. ábra A napkollektorok hatásfok görbéje

A hatásfok görbéjébõl látható, hogy a kollektorok hatásfoka akkor a maximális, ha a vízszintes tengelyen lévõ paraméter, X értéke nulla. Ez pedig csak akkor lehet, ha X képletében a számláló értéke nulla, vagyis a kollektorok hõmérséklete éppen megegyezik a környezeti levegõ hõmérsékletével. Ezt a pontot nevezik optikai hatásfoknak, amit tévesen a kollektorok hatásfokaként szoktak megadni. Ez azonban félrevezetõ. Az optikai hatásfoknak megfelelõ körülmények a gyakorlatban ritkán, vagy soha nem fordulnak elõ. A levegõ hõmérséklete még nyáron is csak 20-30°C, a kollektorok hõmérséklete pedig csak akkor lehet ugyanennyi, ha maximum 10-20°C-os vizet fûtenek. Természetesen lehet ilyen üzemmód nyáron, a hálózati hidegvíz elõmelegítésekor, vagy medencék fûtésekor, de általában nem ez a jellemzõ.

A kollektorok pillanatnyi hatásfoka tehát üzemállapottól függõen nulla, és egy maximális, általában 80% körüli érték között mozog. Jellemzõen egy derült napon, átlagos hõmérsékletviszonyok 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 minõségétõl, hanem a napkollektoros rendszer kihasználtságától is függ. Túlméretezett, magas szoláris részarányra törekvõ rendszernél, az átlagosnál erõsebb napsütés esetén a kollektorokkal hasznosítható napenergiát a rendszer már nem tudja fogadni, ezért a többlettermelés elveszik, az éves hatásfok alacsony. Ugyanakkor alulméretezett rendszernél mindig biztosított a kollektorokkal hasznosított napenergia felhasználása, ezért magas éves hatásfok érhetõ el. A szoláris részarány és az éves hatásfok összefüggése a 9. ábrán látható.

9. ábra A szoláris részarány és a hatásfok összefüggése

Magyarország meteorológiai adottságai mellett átlagos használati-melegvíz készítõ napkollektoros rendszert alapul véve reálisan elérhetõ 50-70%-os szoláris részarány. Ekkor a kollektoros rendszer éves hatásfoka 30-40%, vagyis a napkollektorok az érkezõ napsugárzás 30-40%-át tudják hasznosítani. Magyarországon 1 m2 déli tájolású és 40° körüli dõlésszögû felületre megközelítõleg évi 1450kWh energia érkezik a Napból. Az éves hatásfok figyelembevételével tehát kollektorokkal ebbõl átlagos esetben ~500kWh hasznosítható. Ha a kollektoros rendszer csak idõszakosan kihasználtsággal üzemel, és a napkollektoroknak viszonylag magas hõmérsékletet kell elõállítaniuk, akkor ez lecsökkenhet 300-400kWh-ra is. Ha viszont a kollektorok egész évben, folyamatoson ki vannak használva, és viszonylag hideg vizet kell melegíteniük, a hasznosított éves napenergia elérheti a 800-900kWh/m2-t is. Ez jelentõs energiamennyiség. Gondoljunk például arra, hogy ugyanekkora energiát egy 20kW-os kazán 40-45 órás üzemével tudnánk elõállítani.

Napkollektoros rendszerek állami támogatása

Magyarország immár teljes jogú tagja az Európai Uniónak, ahol elõírások 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 Magyaroszágon a napenergia részesedése mindössze 0,0072%. Ez messze elmarad az érkezõ napenergia kínálta lehetõségektõl 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, energiasûrûségük azonban alacsony, ezért hasznosításuk viszonylag költséges. A hagyományos energiahordozók viszont ma még nagy mennyiségben, és viszonylag könnyen kitermelhetõen állnak rendelkezésre. A ma meglévõ energetikai infrastruktúra is kizárólag a fosszilis energiahordozók alkalmazására épült ki. Hatalmas méretû energialobby érdekelt abban, hogy továbbra is folytatódjon a rablógazdálkodásszerû kitermelés. Ha azonban egy kicsit elõbbre tekintünk, világosan látható, hogy a fejlõdõ országok energiaigényének várható növekedése miatt az emberiség energiaigénye a mostani módon nem fedezhetõ. 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 meglévõ készletekkel történõ takarékoskodás, és a megújuló energiák minél nagyobb mérvû felhasználása lehet. A megújuló, a környezetet nem terhelõ energiaforrások támogatása tehát nem gazdasági kérdés, erre a Földi élet megóvása érdekében van szükség.