Magyarországi napsugárzási adatok

Napenergia-hasznosító rendszerek tervezésekor, méretezésekor fontos bemenõ paraméter a megvalósítási helyszín napsugárzás-jövedelme. Épületgépészeti kézikönyvekben fellelhetõk ugyan Magyarországra vonatkozó átlagos napsugárzási alapadatok, és ezek alkalmasak is a szokásos egyszerûsítõ méretezési eljárások elvégzésére, pontosabb, alaposabb vizsgálatok számára azonban nem állnak rendelkezésre nyilvánosan közzétett, ingyenesen elérhetõ 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 sugárzásmérõkkel végezték, melyek jelentõs hibával rendelkeztek, így e mérések adatai csak korlátozottan használhatók. Minõségi áttörésnek számított, amikor 1967-tõl megkezdõdött a mérõhálózat korszerû, termoelektromos elven mûködõ Kipp & Zonen érzékelõkkel történõ felszerelése. Ezzel egyidejûleg a Budapest-lõrinci mérõállomáson megindult a sugárzási egyenleg, ill. komponenseinek folyamatos mérése. További jelentõs fejlesztés indult meg a 90-es évek elején, mely a mérõhálózat bõvítését, még pontosabb szenzorok üzembe helyezését, és korszerû adatátviteli vonalak kiépítését jelentette az ország teljes területén.

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

A napsugárzás országos eloszlása

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

1. ábra Napsugárzás eloszlása régebbi mérések alapján	2. ábra Napsugárzás eloszlása újabb mérések alapján

Vízszintes felületre vonatkozó napsugárzási adatok hibája

Az általában hozzáférhetõ, vízszintes felületre vonatkozó napsugárzási adatok alapján a napenergia-hasznosítás szempontjából könnyen téves, félrevezetõ, 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. Ebbõl azt az elkeserítõ következtetést lehetne levonni, hogy télen - még derült, napos idõ esetén is - a napból érkezõ hõmennyiség nagyon kevés, ami nem teszi lehetõvé 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 dõlésszögû és déli tájolású felületre, akkor már lényegesen kedvezõbb képet kapunk: a téli sugárzásjövedelem már 66%-a nyárinak. Vagyis, bár télen a napsugárzás elméleti idõtartama rövidebb, és a sugárzás nagysága is kicsivel alacsonyabb, a különbség még sem olyan jelentõs, ami megkérdõjelezné a téli hasznosíthatóság realitását. A valóságban a probléma nem is a derült napokon van. A téli napenergia-hasznosítás korlátját elsõsorban az ebben az idõszakban lényegesen gyakoribb felhõs, borult napok jelentik.

3. ábra Téli és nyári, derült nap sugárzási adatai

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

Persze, gondolhatnánk azt is, hogy mivel az iskolában remélhetõleg mindenki megtanulta a szögfüggvényeket, ezért a vízszintes felületre vonatkozó napsugárzási adatokat könnyedén átszámíthatjuk tetszõleges elhelyezkedésû felületre. Ez azonban a valóságban nem így van. Geometriai összefüggésekkel számítani csak a direkt napsugárzást lehet. A hazánkban jelentõs részarányt képviselõ, felhõs 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 legjelentõsebb, déli tájolású és 45°-os dõlésszögû 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 idõtartamra az OMSZ egy kontrol piranométert és adatgyûjtõt telepített a saját mérõberendezésünk 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 mûszere)

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 idõszakokban - de ennél magasabb, 1200 W/m2 körüli értékeket is mértünk. Fõleg az volt furcsa, hogy a magas értékek nem derült, hanem felhõs idõ 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 felhõzet esetén van olyan állapot, amikor a napot éppen nem takarja el a felhõzet, ezért a teljes direkt sugárzás gyengítetlenül megérkezik a mérõ felületre, a nap körül lévõ felhõzetrõl pedig még további, jelentõs nagyságú szórt sugárzás is érkezik. Ez az állapot persze csak rövid ideig tart, és összességében egy felhõtlen, derült nap sugárzásjövedelme természetesen magasabb, mint egy felhõsebb 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, esõs napot is, amikor a sugárzás olyan gyenge, hogy abból napkollektorokkal már semmit sem lehet hasznosítani.

5. ábra Derült, változékony és erõsen borult nyári nap sugárzásviszonyai

A napsugárzás éves eloszlása

A napsugárzás, mint minden idõjárási adat meglehetõsen szeszélyes, Azt, hogy egy adott napon mekkora lesz a napsugárzás, nem lehet elõre kiszámítani. A 6. ábra a 2004. évi napsugárzás eloszlását ábrázolja. A felsõ ábrán - ahol az adatok napi bontásban szerepelnek - jól látható a szeszélyes jelleg, a borult és a derült napok véletlenszerû váltakozása. Ebbõl 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 idõszakok 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 dõlésszögû felületre az érkezõ napsugárzás átlagos hõmennyisége a nyári félévben megközelítõleg 5,5 kWh/(m2.nap), amibõl napkollektorokkal ~3 kWh hasznosítható. A téli idõszakban ugyanakkor a napsugárzás hõmennyisége ~1,5-2,5 kWh/(m2.nap), amibõl napkollektorokkal kb. 0,5-1,5 kWh hasznosítható. Az átlagos sugárzási adatokkal történõ méretezésbõl 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 ebbõl az következik, hogy egy jól méretezett használati-melegvíz készítõ napkollektoros rendszer ebben a hónapban folyamatosan, minden nap elõ 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 sugárzásjövedelmû periódust, amikor is - hacsak nincs a tároló térfogat jelentõsen 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 készítõ gázkazánt, vagy elektromos fûtõpatront. A tapasztalat az, hogy a napkollektoros rendszerek tulajdonosai között egyre többen vannak azok, akik az elõbbi módszert választják, és jó érzéssel tölti el õket az, hogy ez által õk 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 idõszak 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 idõszak, amikor a napi sugárzás eléri a 3-4 kWh-t, és ekkor a napkollektorok már szépen mûködnek.

8. ábra Napi sugárzási adatok, 2006. január

Biztató jövõ?

Végezetül nézzünk egy a napenergia-hasznosítás szempontjából biztató, a Föld jövõje szempontjából pedig talán kevésbé lelkesítõ statisztikát. A 9. ábrán a Budapesten területén vízszintes felületre érkezõ napsugárzás éves hõmennyiségei láthatók 1967-tõl 2005-ig. A trendvonalból egyértelmûen kiolvasható, hogy a földfelszínt elérõ napsugárzás mennyisége növekszik. Látható az is, hogy az elmúlt 40 év két legnaposabb éve a közelmúltban, 2000-ben és 2003-ban volt. Úgy tûnik tehát, hogy a Nap energiájára egyre nagyobb mértékben számíthatunk. Ez a tendencia persze lehet véletlen is, de sokkal valószínûbb, hogy mindez az üvegház hatás miatti globális felmelegedés következménye.

9. ábra Vízszintes felületre érkezõ éves napsugárzási adatok

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