Fénytechnika. Tükrös nap erőmű. Dr. Wenzel Klára. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. egyetemi magántanár

Átírás

1 Fénytechnika Tükrös nap erőmű Dr. Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

2 A Föld energia forrásai A kimerülőben lévő energia források: Fa Szén Lignit Kőolaj Földgáz Nukleáris energia A megújuló energia források: Nap energia Víz energia Szél energia Bio energia

3 A Föld energia mérlege A víz-, a szél- és a bio-energia forrása is a Nap energiája!

4 A Nap energiájának hasznosítása A kutatók számításai szerint a napenergia hasznosításával a fűtési energiaszükséglet mintegy 80-85%-át lehetne biztosítani az egyenlítőtől a 45. szélességi fokig terjedő napsütéses övezetben. (Magyarország az északi szélesség 47 0 án helyezkedik el )

5 A napenergia eloszlása a Földön A vörös, sötétvörös és narancssárga területeken lehet jó hatásfokkal hasznosítani a napenergiát, míg a sárga, zöld és kék területeken már nem éri meg.

6

7 A napkollektorok Tervezési szempontok: A visszasugárzás csökkentése (hőszigetelés) A hőelnyelés növelése (szelektív optikai bevonatok) Megoldatlan: a termelt hő energia tárolása A napkollektorokat általában háztetőkön helyezik el, lehetőleg a napsugarakra merőlegesen Optomechatronikai feladat lenne: a kollektor felületét folyamatosan a Nap felé fordítani!

8 A vákuumcsöves napkollektorok A vákuumcsöves napkollektor részei: Belső üvegcső szelektív bevonattal (jó hőelnyelés, kis visszasugárzás) Hőátadó folyadék Külső üvegcső, a két üvegcső között vákuum (jó hőszigetelés) CPC tükör (összetett parabolikus hátsó tükör)

9 Vákuumcsöves napkollektor panel

10 A sík napkollektorok A síkkollektorok hő közvetítő közeget (pl víz) melegítenek fel. Részei: Elnyelő lemez (kollektor) Szelektív bevonat minimális sugárzási veszteség Kollektorház Hőszigetelés Csővezeték Munkaközeg (a csővezetékben áramlik) Üvegfedés (lemoshatóság) A napelemek villamos energiát termelnek. Részei: Elnyelő lemez (abszorber). Ennek anyaga általában szilicium egykristály (drága!) Szelektív bevonat minimális sugárzási veszteség Hőszigetelés Villamos vezeték Üvegfedés (lemoshatóság)

11 A hőcsöves napkollektorok A hőcsöves napkollektor részei: Belső üvegcső szelektív bevonattal (jó hőelnyelés, kis visszasugárzás) Hőátadó folyadék Külső üvegcső, a két üvegcső között vákuum (jó hőszigetelés) CPC tükör (összetett parabolikus hátsó tükör) Hőcső (lehegesztett réz csőben 25 mbar vákuum, ebben néhány milliliter desztillált víz, amely a kis nyomáson már 30 0 C alatt felforr. 4-5-ször több hőt termel, mint a sík kollektor

12

13

14

15 A napállás α szöge a Földfelszínhez képest A parabola vályúk b távolsága a a a

16 A tükrös Naperőmű alap gondolata: Egy hatalmas paraboloid napenergia gyűjtő antenna Fókuszában egy gőz termelő kazán A gőz egy gőzturbinát működtet A gőzturbina az elektromos hálózatra dolgozik Az antenna viszonylag kicsi síktükrökből áll A termelt hőenergiát azonnal villamos energiává alakítják és az országos elektromos hálózatba táplálják nem kell tárolni a hőenergiát

17

18 Módosítási ötlet: A paraboloid antenna részei a Földön is elhelyezhetők! Egyszerűbb összeszerelés Kisebb állvány Egyszerűbb tisztítás

19 A tányéros naphőerőmű parabola antennáját 2 tengely körül kell forgatni. Az egyik tengely függőleges, ez teszi lehetővé, hogy a tükör követni tudja a Nap pályáját napkeltétől napnyugtáig, (kelettől nyugatig). A másik tengely vízszintes, ez teszi lehetővé, hogy a tükör optikai tengelye mindig a Nap magasságának megfelelő szögben álljon. Megoldás: a Fresnel-tükör elv alkalmazása

20 A Föld egyik első naphőerőműve az USA-ban, a kaliforniai Lancester mellett, a Mojave sivatagban épült 2009-ben

21 A megvalósítás: OPTOMECHATRONIKA síktükör 4 mezőben 6-6 ezer tükör A tükrök sík felületen helyezkednek el Minden tükörnek külön mozgató rendszere van, amely folyamatosan a kazánra irányítja a fényt 2 kazánt alkalmaztak, egy-egy 50 m magas oszlopon A mozgatásokat számítógép irányítja 200 km távolról, Pasadénából

22 Minden egyes tükör bármely Nap-állásnál a kazánok nyílásába vetíti a Nap fényét

23 A tükör rendszer

24 A tükrök mozgatása A A tükrök mozgatása két szabadságfokú, 2 mozgatás, léptető motorokkal

25 A tükrökről a sivatag porát a mosó robot mossa le.

26 A kazánok A kazánok súlya feltöltetlen állapotban 66 tonna. 50 m magas oszlopokon állnak. Mindkét kazán 2-2 nyíláson át fogadja be a fényt.

27 A kazánok A kazánok ajtaja körül az üzemi hőmérséklet C. Az ajtókat kerámia burkolat védi A kazánok teljes belső felületét a fűtő csövek burkolják

28 Az erőmű ellenőrzése Az erőművet 9 oszlopon elhelyezett kamerák figyelik A kamerák képét 200 km-rel távolabbra, az erőmű központjába, Pasadénába továbbítják.

29 GEMASOLAR, tükrös naperőmű Andaluziában Felavatták 2011 májusban 195 hektáron 2600 tükör. A tükrök mérete egyenként 120 m 2 24 órás működés, mert a hőenergiát nagykoncentrációjú, kb 500 fokos sóolvadékban tárolják háztartás teljes energia ellátását biztosítja tonna széndioxid kibocsátást takarít meg.

30 Az andaluziai naperőmű

31 A GEMASOLAR tükrös naphőerőmű 195 hektáron 2600 tükör segítségével gyűjti a napenergiát. A tükrök mérete egyenként 120 m 2. Az erőmű teljesítménye 19,9 megawatt. Az erőmű napi 24 órát működik, mert a hőenergiát nagy koncentrációjú, kb 500 fokos sóolvadékban tárolják. Ez az erőmű háztartás teljes energia ellátását biztosítja, és ezzel tonna széndioxid kibocsátást takarít meg.

32 A Föld energia mérlege A naperőművekkel betelepíthető terület [1]: A Föld melegégövi sivatagainak területe: ~ km2 = 2 * m2 Ennek legfeljebb 1/10-e hasznosítható (sziklás területek, úthálózat, kiszolgáló épületek) A Föld felszínére merőlegesen sugárzó Napenergia teljesítménye éves átlagban [2]: ~1225 W/m2 Ennek legfeljebb 1/100-a hasznosítható (a Napnak éppen nem kitett vagy a Napra éppen nem merőleges területek, erőművi hatásfok) A hasznosítható napenergia teljesítménye tehát ~ 2,45 * W Ha feltételezzük, hogy ez a nap 24 órájában megtermelhető, akkor a hasznosítható napenergia: ~ 2.1 * Joule 2005-ben a világ villamos energia termelése az összes fosszilis, nukleáris és megújuló energiaforrásból [3] ~ GWh = ~ 9 * Joule

33 A naperőművekből gazdaságosan kinyerhető energia tehát a Föld jelenlegi villamos energia termelésének mintegy 23-szorosa [1] Szenzációs szerelők: Tükrös Naperőmű, National Geographic TV, 2010 [2] Horváth Eszter-Kristóf Andrea-Szép Hajnalka-Vági Krisztina: Zonális melegövi sivatagok [3] Varga Zoltán Balázs: A megújuló energia források, PhD értekezés, [4] VIKIPÉDIA: A Napállandó [5] Gács Iván: Naphőerőművek, Magyar Energetika, XIX. Évfolyam, 4. szám, old szept.

34 Több évtizedes, fantasztikusnak tűnő energiatermelési tervet készül megvalósítani a NASA [5]. Az elképzelés szerint egyenként mozgatható, kisméretű, vékonyfilmes tükrökkel felszerelt műholdat építenének, amely napelemeivel elektromos árammá alakítaná a fényt, majd az így megtermelt 10, de akár 1000 megawatt energiát mikrohullámok segítségével továbbítanák a földi vevőállomásra

35 V É G E

36 A A

37 A

38

39 A

40

41

42