A napelemek teljesítménye leginkább attól függ, milyen szögben éri őket a napfény. Mindeddig vitán felül állt, hogy a legtöbb energiát a földrajzi dél felé fordítva termelik, hiszen a napfény ereje délben a legnagyobb. Magyar kutatók azonban most mégis úgy látják, hogy Magyarországon a napelemtáblákat nem délre, hanem a dőlésszögüktől függően többé-kevésbé kelet felé kell tájolni, ami függőleges táblák esetén akár ötszázalékos energiatöbbletet is eredményezhet.
Napraforgók vezettek a felismerésre
Már régen megfigyelték, hogy a napraforgók érett virágai kelet felé néznek. A jelenséget sokan sokféleképpen magyarázták az idők során, de egyik feltételezés sem nyert kísérleti bizonyítást. 2020-ban az ELTE kutatói elsőként vetették fel, hogy a virágzat keleti irányát a növény tenyészhelyének fényviszonyai okozhatják – derül ki az ELTE szerkesztőségünkhöz eljuttatott közleményéből.
Horváth Gábor és munkatársai csillagászati, meteorológiai és növényfiziológiai adatok felhasználásával meghatározták az érett napraforgófej virágzata és hátoldala által elnyelt fényenergiát a virágképzés kezdete és a magok teljes érése között, és megállapították:
ha a tenyészidőben a délutánok átlagban felhősebbek a délelőttöknél, a keletre néző napraforgóvirágzat nyeli el a legtöbb fényenergiát.
Az energiatöbblet előnyökkel jár a napraforgó számára: serkenti a magok fejlődését, gyorsítja a virágzatra lecsapódott harmat reggeli elpárolgását, ami csökkenti a gombásodás veszélyét, és magához vonzza a délelőtt aktív beporzókat.
A fényenergia maximalizására építő fotobiológiai és környezetoptikai magyarázat azért lehetett minden korábbinál teljesebb, mert figyelembe vette a napraforgó háziasításának északkelet-amerikai területére jellemző felhősödési viszonyokat is.
Merre fordul a napraforgó?
A kutatók következő kérdése az volt, vajon a napraforgóvirágok a földrajzi kelet felé vagy a napkelte folyamatosan változó aktuális azimutirányába (a földrajzi északtól mért irányba) néznek.
Annak eldöntésére, hogy e két lehetőség közül melyik igaz, 14 napraforgótábla érett virágzatú növényeiről készítettek drónfényképeket, majd 2800 napraforgóvirág azimutszögének átlagát és szórását határozták meg e képek kiértékelésével.
Egy virágzó napraforgótábla drónfényképe látható az A jelű képen húsz méter magasságból, alatta pedig 2800 érett napraforgó-virágzat normálvektorának a földrajzi északtól az óramutató járásával egyezően mért α azimutszögének N(α) eloszlása látható 14 napraforgótábláról készült drónfelvétel kiértékelése után.
A fényenergia ideális iránya
Azt találták, hogy a virágzatok átlagos azimutszöge gyakorlatilag megegyezik a földrajzi keleti iránnyal, és jelentősen eltér a helyi napkelte azimutszögétől. E mérési eredmény igazolta a 2020-as elméleti jóslatukat, miszerint a napraforgó-virágzatok fényenergia-maximalizáló, ideális iránya a földrajzi kelet – legalábbis ott, ahol a délelőttök átlagosan kevésbé felhősek a délutánoknál a napraforgók tenyészidejében.
A drónos vizsgálat azt is megmutatta, hogy a kutatók jó irányba indultak el, amikor környezetoptikai magyarázatot kerestek a jelenségre. A 14 vizsgált napraforgótábla közül ugyanis kettőben azt találták, hogy a virágzatok azimutiránya többé-kevésbé eltért a síkvidéki virágzatok keletre nézésétől. E táblák domboldalon feküdtek, a dombos helyek fényviszonyai pedig eltérnek a síkvidékiekétől, hiszen egy domboldalt más szögekben ér a közvetlen napsugárzás, mint egy vízszintes területet.
A kutatók egy olyan napraforgótáblára is bukkantak, amelyben a virágzatok kelet helyett a földrajzi dél felé néztek. Ezek a napraforgók napkelte után és napnyugta előtt öt-öt óra hosszat a környező fák árnyékában voltak. A számítások szerint ilyen fényviszonyok között a délre néző virágzatok kaptak maximális fényenergiát a nap folyamán. E megfigyelések jól szemléltetik, hogy
az érett napraforgó-virágzatok ideális iránya erősen függ a felhőzet, a domborzat és a környező növényzet által befolyásolt helyi megvilágítási viszonyoktól.
Az alábbi, A jelzésű kép egy sződi virágzó napraforgótábláról nyolcvan méter magasságból készült drónfelvételt mutat. A fehér kerületű téglalapbeli érett virágzatok délre néznek, ellentétben a keletre irányuló többivel. Napkelte után öt óra hosszat a délre néző napraforgók az 1. facsoport árnyékában voltak, míg napnyugta előtt öt óra hosszat a 2. facsoport vetett rájuk árnyékot. A B jelzésű drónfelvételen délre néző száz napraforgó-virágzat normálvektora (a földrajzi északtól az óramutató járásával egyezően mért) α azimutszögének N(α) eloszlása.
Mi a közös a napelemekben és a napraforgókban?
Miután a kutatók számára bizonyítást nyert a napraforgók fénymaximalizáló viselkedése, azt kezdték el vizsgálni, vajon igaz lehet-e a napraforgókon tett megfigyelésük a napelemekre is.
Az északi féltekén a rögzített (tehát állandó dőlésű és azimutirányú) napelemtáblák hagyományosan dél felé néznek, mert az uralkodó vélemény szerint a déli irány biztosít maximális napenergiát. Azonban a napraforgókhoz hasonlóan a napelemek fénymaximalizálását is meghatározza a felhőzöttség délelőtt-délutáni eltérése. De vajon mennyire? Hiszen míg a növekvő napraforgó-virágzatok egyre gyarapodó súlyuk miatt fokozatosan lefelé hajlanak, és csak a néhány hónapos nyári tenyészidejük alatt gyűjtik a fényt, addig a rögzített napelemek dőlésszöge állandó, és egész évben éri őket a nap- és égfény.
A napjárás csillagászati ismeretei és az elmúlt évtizedre átlagolt meteorológiai fénysugárzásmérési adatok felhasználásával az ELTE kutatói meghatározták, hogy egy rögzített napelem egységnyi felülete mennyi fényenergiát nyel el egy év alatt.
A napelemek ideális iránya különböző országokban
A vizsgálatot az északkelet-amerikai Boone County, Tennessee és Georgia városra (amerre annak idején a Helianthus annuus napraforgót háziasították), valamint három európai régióra (Közép-Olaszország, Közép-Magyarország, Dél-Svédország) terjesztették ki.
Egy Fresnel-tükröző, rögzített napelemtábla egységnyi felülete által január 1. és december 31. között elnyelt fényenergia színkódolt értékei láthatók az alábbi ábrán a következő régiókban:
- A) Boone County
- B) Tennessee
- C) Georgia
- D) Közép-Olaszország
- E) Közép-Magyarország
- és F) Dél-Svédország a napelem függőlegestől mért θ dőlésszöge és az óramutatóval egyező irányban a földrajzi déltől mért α azimutszöge függvényében.
Azt találták, hogy a napelemtáblák ideális iránya
egyedül Dél-Svédországban a hagyományos földrajzi dél,
mégpedig azért, mert ott a délelőttök és délutánok évi átlagban egyformán felhősek. A többi területen viszont megfelelőbb a napelemtáblákat kissé a földrajzi kelet felé fordítani, mivel e régiókban a délutánok éves átlagban felhősebbek a délelőttöknél. Ebből az is következik, hogy azokon a területeken, ahol éves átlagban a délelőttök felhősebbek a délutánoknál, a napelemek ideális iránya kicsit nyugat felé fordul.
A kutatók tehát arra jutottak, hogy a napelemtáblák rögzítésekor érdemes figyelembe venni a helyi felhőzöttségi viszonyokat is, és a táblákat annak megfelelően beállítani, mivel így az akár
42 fokos keletre fordulásból származó energiatöbblet elérheti az öt százalékot is egy hagyományosan dél felé tájolt napelemhez képest.
(Borítókép: Vasvári Tamás / MTI)