Napelemek hatékonyabb energiatermelése

Azt 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. Ennek ismeretében hazai kutatók arra jutottak, hogy érdemes lenne a napelemtáblákat a dőlésszögüktől függően többé-kevésbé kelet felé tájolni, ami függőleges táblák esetén akár 5 százalékos többletenergiát is eredményezhet – olvasható az ELTE weboldalán.

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, akkor a keletre néző napraforgó virágzata nyeli el a legtöbb fényenergiát. Az energiatöbblet előnyökkel jár a napraforgó számára: serkenti a magvak fejlődését, gyorsítja a virágzatra lecsapódott harmat reggeli elpárolgását, ami csökkenti a gombásodás veszélyét, és magához vonzza a délelőtt aktív beporzókat.

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 drónfelvételeket, majd 2800 napraforgóvirág azimutszögének átlagát és szórását határozták meg e képek kiértékelésével. 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 síkvidékiekéitől, 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 5-5 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, domborzat és környező növényzet által befolyásolt helyi megvilágítási viszonyoktól.

(A) Egy sződi virágzó napraforgótábláról 80 m magasságból készült drónfelvétel (Bernáth Balázs fényképe). A fehér kerületű téglalapbeli érett virágzatok délre néznek, ellentétben a keletre irányuló többivel. Napkelte után 5 órahosszat a délre néző napraforgók az 1. facsoport árnyékában voltak, míg napnyugta előtt 5 órahosszat a 2. facsoport vetett rájuk árnyékot. (B) A drónfelvételen délre néző 100 napraforgó-virágzat normál vektora (a földrajzi északtól az óramutató járásával egyezően mért) α azimutszögének N(α) eloszlása.

Forrás: elte.hu

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 az 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 ismereteinek és az elmúlt évtizedre átlagolt meteorológiai fénysugárzásmérési adatoknak a felhasználásával az ELTE kutatói meghatározták, hogy egy rögzített napelem egységnyi felülete mennyi fényenergiát nyel el egy év alatt. A vizsgálatot az észak-kelet-amerikai Boone County, Tennessee és Georgia városokra (amerre annak idején a Helianthus annuus napraforgót háziasították), valamint három európai régióra (Közép-Olaszország, Közép-Magyarország, Dél-Svédország) terjesztették ki. 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 felhősebben 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 42o fokos keletre fordulásból származó energiatöbblet elérheti az 5 százalékot – eredményeikről  a Frontiers oldalán számoltak be.