SZAKDOLGOZAT MŐSZAKI FEJLESZTÉSI JAVASLATOK KIDOLGOZÁSA A PUSZTA KONZERV KFT. ENERGIA FELHASZNÁLÁSÁNAK CSÖKKENTÉSÉRE

Átírás

1 NYÍREGYHÁZI FİISKOLA MŐSZAKI ÉS MEZİGAZDASÁGI KAR JÁRMŐ- ÉS MEZİGAZDASÁGI GÉPTANI TANSZÉK MEZİGAZDASÁGI ÉS ÉLELMISZER-IPARI GÉPÉSZMÉRNÖKI SZAK NYÍREGYHÁZA SZAKDOLGOZAT MŐSZAKI FEJLESZTÉSI JAVASLATOK KIDOLGOZÁSA A PUSZTA KONZERV KFT. ENERGIA FELHASZNÁLÁSÁNAK CSÖKKENTÉSÉRE Készítette: Konzulens(ek): Dr. Kerekes Benedek egyetemi tanár

2 NYÍREGYHÁZI FİISKOLA MŐSZAKI ÉS MEZİGAZDASÁGI KAR JÁRMŐ- ÉS MEZİGAZDASÁGI GÉPTANI TANSZÉK NYÍREGYHÁZA SZAKDOLGOZAT Címe: Mőszaki fejlesztési javaslatok kidolgozása egy élelmiszeripari üzem energiafelhasználásának csökkentésére Készítıje: Konzulens: Dr. Kerekes Benedek Külsı konzulens: TÉMAVÁZLAT Bevezetés 1. A szakirodalom áttekintése 1.1. Az energiagazdálkodás rendszerének összefoglalása 1.2. Energiatermelı berendezések ismertetése (megújuló energiák hasznosítása) 2.Üzemi vizsgálatok 2.1. Az üzem energiagazdálkodási rendszerének ismertetése 2.2. Az elmúlt 5 év energia felhasználásának elemzése 3. Következtetések, mőszaki fejlesztési javaslatok. 4. Összefoglalás. A szakdolgozati címet és témavázlatot jóváhagyom konzulens tanár tanszékvezetı 2

3 TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS A SZAKIRODALOM ÁTTEKINTÉSE Az energiagazdálkodás rendszerének összefoglalása Energiatermelı berendezések ismertetése(megújuló energiák hasznosítása) A nem megújuló energiahordozók Megújuló energiahordozók ÜZEMI VIZSGÁLATOK Az üzem energiagazdálkodási rendszerének ismertetése Villamos energia felhasználás sémája A földgáz felhasználásának sémája Az elmúlt 5 év energiafelhasználásának elemzése Az üzem villamos energia felhasználásának elemzése Az üzem földgáz felhasználásának elemzése KÖVETKEZTETÉSEK, MŐSZAKI FEJLESZTÉSI JAVASLATOK A vállalat téli főtési energia felhasználás szempontjából meghatározó létesítményeinek vizsgálata A. Kft. telephelyén található létesítmények jellemzıi, hıtechnikai számítások Javaslatok a villamos energia felhasználás racionalizálására Hálózatba visszatápláló napelemes rendszer tervezése Javaslatok a gázfogyasztás csökkentésére ÖSSZEFOGLALÁS FELHASZNÁLT IRODALOM INTERNETES FORRÁSOK EGYÉB FELHASZNÁLT FORRÁSOK MELLÉKLETEK

4 BEVEZETÉS A választásom azért esett erre a témára, mert korunkban már nem lehet szemet hunyni afelett, hogy a korszerőtlen, elavult technikával mőködı gyárak, üzemek mennyire pazarlóak és ezáltal a környezetre károsak. Az egyre növekvı CO 2 koncentrációt az okozza, hogy felbomlott az az egyensúlyi helyzet, amely annak képzıdése és felhasználása között már hosszú ideje fennállt. Az egyensúly lényege az, hogy a spontán, ill. az egyes élılények (többek között az emberek) tevékenysége révén képzıdı széndioxidot a fotoszintetizáló mikro- és makro-szervezetek (algák, magasabb rendő növények, stb.) megkötik, ezzel saját gyarapodásukat idézik elı, miközben csökkentik, ill. egyensúlyba tartják a légkör gázösszetételét. Miután a földi nyersanyagok felhasználása a 20. században exponenciálisan növekedésnek indult, ez magába foglalta ill. foglalja a fosszilis energiaforrások hasonló mérvő alkalmazását is. Vagyis több CO 2 kerül a légkörbe a szén, az ásványolaj és földgáz eltüzelése révén, mint amennyit a civilizáció térhódítása miatt úgyis csökkenı fotoszintetizáló szervezetek fel tudnak használni. Minden embernek törekednie kellene a maga módján arra, hogy óvja a környezetét hiszen ez nem csak neki lenne fontos, hanem a gyerekeinek, a következı generációknak. Egy mérnök ember úgy tud a legtöbbet tenni ez ügy érdekében, hogy megpróbál új technológiákat kifejleszteni annak érdekében, hogy a mőködı gyárak kevésbé legyenek szennyezıek és energiapazarlók. Az EU 2020-ig 20% megújuló energia felhasználását írja elı. Több féle úton is el lehet indulni, vannak aktív és passzív megoldási módok. Az energia felhasználásának aktív csökkentési módjai. Aktív energiafelhasználás csökkentésrıl akkor beszélünk, ha a felhasznált nem megújuló energiákat alternatív megoldásokkal, megújuló energiák felhasználásával helyettesítjük. Passzív az energiafelhasználás csökkentése, mikor a már meglévı technikát korszerősítjük, modernizáljuk (pl.: új konstrukciós megoldásokkal, szigeteléssel) ezáltal az energia felhasználásának mértékét csökkentjük. 4

5 1. A SZAKIRODALOM ÁTTEKINTÉSE Az iparban felhasznált energiát több féle módon elı lehet állítani. Az energia nagy részét napjainkban még mindig fosszilis energiahordozók (szénhidrogének, gáznemő anyagok,) elégetésével nyerik. A környezetbarát energiák (geotermikus, biomassza, biogáz, nap, szél, víz,) felhasználásának növelése lenne a cél a jövıre nézve, ám egyes országokban még mindig az elavult technikák használata a jellemzı Az energiagazdálkodás rendszerének összefoglalása Az energiagazdálkodás célja a gazdaság különbözı területeihez tartozó energiafogyasztók gazdaságos és zavartalan ellátása minıségileg és mennyiségileg megfelelı energiával, az energiaköltségek minimális értéken tartása mellett. Az energiagazdálkodás feladata az energetikai folyamatok (1. ábra) során fellépı energiaveszteségek és ezzel az energiaszükséglet csökkentése (így pl. a berendezések, energiahordozók, alkalmazott technológia helyes megválasztása révén stb.). Az energiával, mint természeti erıforrással való gazdálkodáshoz kapcsolódik a rendelkezésre álló anyagi eszközökkel való gazdálkodás, az energiaköltségek csökkentése, az energetikai beruházások hatékonyságának növelése. A fentiek figyelembevételével az energiagazdálkodás a rendelkezésre álló energiaforrások és készletek leggazdaságosabb felhasználásának és kihasználásának biztosítására és megszervezésére, az energiaszükséglet gazdaságos és biztonságos kielégítésére, az energiaveszteségek csökkentésére, a fölösleges veszteségforrások megszüntetésére irányuló gyakorlati tevékenységet jelenti. Az energiagazdálkodás keretében az energia nemcsak fizikai és mőszaki fogalomként jelentkezik, hanem mint gazdasági szükségletek kielégítésére alkalmas termelési vagy fogyasztási eszköz is. Az energiagazdálkodás természettudományi alapjait és mőszaki alkalmazását összefoglaló ismereteket energetikának, is nevezik. Az energiagazdálkodás tudományának és gyakorlatának alapjai egyrészt az energetika, másrészt a gazdaságtudományok. Az energiagazdálkodás nem foglalkozik az energetika tárgykörének teljességével, hanem csak azokkal az energetikai folyamatokkal, amelyek egyben gazdálkodási problémákat is felvetnek. Így pl. általában nem foglalkozik azokkal a változatos, de rendszerint nagyon csekély energiamennyiséget érintı energetikai folyamatokkal, amelyek egy-egy gépszerkezet vagy mechanizmus mőködését érintik, nem foglalkozik továbbá a bioenergetikai folyamatokkal, az emberi munka végzésének az ergonómia tárgykörébe tartozó kérdéseivel, 5

6 vagy az állati energia kifejtésének problémáival. Az energiagazdálkodás hármas mőszaki, gazdasági és környezetvédelmi jellege végigvonul mindazon a sajátos mőveleteken és folyamatokon, amelyek az energiagazdálkodás tárgyai. Az alapenergia a bányatermékként nyert energiahordozók energiatartalma és más természeti energiaforrások energiahozama. Az alapenergia hordozók kitermelése így a bányászat tárgykörébe, a megújuló energiaforrások hasznosítása a megújuló energiaforrás fajtájának megfelelı tárgykörbe tartozik. Az energiagazdálkodás határterülete az energetikai gépek és fogyasztói berendezések energiagazdálkodás szempontjából helyes szerkesztése és gyártása. 1. ábra. Energia(kör)folyam Forrás: INTERNET 6 A

7 A fogyasztói energiagazdálkodást szoros szálak főzik az energiafelhasználási célt meghatározó ipari, mezıgazdasági, háztartási stb. technológiához. Az átalakított, ún. másodlagos energiahordozók az energiaátalakításhoz (fejlesztéshez ill. termeléshez) felhasznált alapenergia-hordozókból nyerik energiatartalmukat. Az energiaátalakítási folyamatokkal másodlagos energiahordozók elıállítása, a kapott energiafajta fogyasztók közti elosztása, a fogyasztói berendezések gazdaságos üzemeltetése, valamint az energiafelhasználás ellenırzése az energiagazdálkodás sajátos területei. Az energiagazdálkodás végsı rendeltetése az energiafelhasználás, amelyben nemcsak az energiagazdálkodási szempontoknak, hanem a fogyasztók szükségleteibıl kiinduló technológiai szükségleteknek is jelentısége, meghatározó szerepe van. Az energiafelhasználás célja meghatározza a szóban forgó technológiai folyamat elvégzéséhez szükséges energiafajtát. Így pl. a munkadarabok forgácsolásához mechanikai energiára, hevítéséhez hıenergiára, jármővek mozgatásához mechanikai energiára, főtéshez hıenergiára stb. van szüksége a fogyasztóknak. Egy-egy energiafajtát többféle energiahordozóval lehet szolgáltatni (pl. hıenergiát fejleszthetnek bármelyik szilárd, folyékony, vagy gáznemő tüzelıanyagból, a hı szállítható gızzel, vagy vízzel). Az energiagazdálkodás egyik alapvetı feladata, az adott célnak legjobban megfelelı - mőszaki, gazdasági és környezetvédelmi szempontból optimális - energiahordozó kiválasztása. A különbözı energiahordozókhoz különféle energetikai berendezések és energiafogyasztó készülékek, az energiaellátás meghatározott rendszere tartozik. Ennek tudatában az energiagazdálkodás fontos célkitőzése az energiafogyasztók adott energiafajta szükségletének gazdaságilag és környezetvédelmi szempontból kedvezı biztonságos kielégítése a feltételeknek megfelelı és legalkalmasabb energiahordozóval és berendezésekkel. Az energiagazdálkodás többféle szempont szerint tagolható és rendszerezhetı (2. ábra). Feladata szerint az alapcsoportosítás a kitermelés (bányászat), átalakítás, elosztás és felhasználás. Tárgya szerint kiterjeszkedik az energiaforrásokra, energiafajtákra, energiahordozókra, és gépi berendezésekre. Ilyen értelemben beszélünk, pl. szén-, olaj-, gázgazdálkodásról, hı és villamos-energiagazdálkodásról stb.. Energiafogyasztók szerint megkülönböztetik a különféle gazdasági, esetleg földrajzi területek, (ipar, közület, lakossági stb.), szervezetek (üzem, vállalat, gazdasági ág), technológiai szektorok (pl.: acélgyártás, közúti szállítás), gépi berendezések (pl. kemencék, különféle munkagépek, közlekedési eszközök stb.) energiagazdálkodását ( INTERNET A). 7

8 2. ábra. Az energiagazdálkodás tagolása Forrás: INTERNET A 8

9 1.2. Energiatermelı berendezések ismertetése(megújuló energiák hasznosítása) A nem megújuló energiahordozók Magyarországon a fosszíliák három forrását ismerjük: Kıszén - lignit Olaj Gáznemő energiahordozók A kıszén. A hazai energiaellátásban a szén egyre kevésbé játszik fontos szerepet, de még mindig jelentıs a szénbıl elıállított villamos áram mennyisége és a lakosság szilárd tüzelıanyaggal való ellátása is döntıen a hazai szénnel és brikettel történik! A szénrıl általában Az egyes szénfajták különbözı geológiai korokból, túlnyomórészt szerves, fıként növényi anyagokból származnak. A nagytömegő növényzet levegıtıl elzárva, nagy nyomás és hımérséklet hatására fizikailag, kémiailag átalakult, elszenesedett. A hazai szénfajták közül a legidısebb a liász korú (kb. 200 millió éves) pécsi és komlói feketeszén, majd ezt követik a kréta korú (kb. 100 millió éves) ajkai barnaszén, az eocén korú (kb. 50 millió éves) dorogi, tatabányai, oroszlányi, balinkai és dudari barnaszenek, a miocén korú (kb. 20 millió éves) borsodi (berentei, lyukói, feketevölgyi, edelényi) barnaszenek és a pl. iocén korú (kb.10 millió éves) visontai és bükkábrányi lignitek. A szén felhasználása. A gazdaságos felhasználáshoz a szenet szemnagyság szerint osztályozva, részben a nem éghetı ún. meddıtartalmát csökkentve hozzák forgalomba. A szénelıkészítı mővekben a szénfajta fizikai tulajdonságai alapján száraz vagy nedves eljárással dúsítják elsısorban a darabos szénfrakciókat. A bányák által termelt, osztályozott és részben dúsított széntermékek fı felhasználói: villamos energia ipar (áramtermelés); tüzelıanyag kereskedelem (lakosság); ipari fogyasztók (kohászat, tégla- és cserépipar, cement- és mészmővek, vasút); brikettgyártás (lakosság); 9

10 egyéb felhasználók (papíripar, textilipar, mezıgazdaság, stb.). Energiaátalakítás Az energiaátalakítás lényegében a tüzelıberendezésekben történik, melyekben a szilárd energia hordozókból, azok elégetésével, hıenergiát állítunk elı. Az égés. A tüzelıanyagok égése során bonyolult vegyi folyamatok játszódnak le. Az éghetı szilárd és gáz alkotórészek hıfejlıdés és fény keletkezése közben a levegı oxigénjével egyesülve füstgázzá alakulnak. A nem éghetı ásványi eredető anyagok - szilikátok, alumínium- és vasvegyületek, mész, alkáliák, stb. a hamuban maradnak vissza. Az égésnek három alapfeltétele van: éghetı anyag (a tüzelıanyag), gyulladási hımérséklet, levegı (oxigén). Bármelyik feltétel hiánya az égést lehetetlenné teszi. Az égési folyamat megindításához a tüzelıanyagokat a gyulladási hımérsékletükre kell felmelegíteni. A nagyobb gyulladási hımérséklető anyagokat nehéz közvetlenül meggyújtani. Ezeket kisebb gyulladási hımérséklető anyagok segítségével gyújtjuk meg, pl. a kályhában gyufával a papírt, ez a fát, az pedig a szenet gyújtja meg. A tüzelıberendezésben a tüzelıanyag fokozatosan melegszik fel és elıször nedvességét veszti el. A további melegedés során a gáz alakú alkotók szabadulnak fel. Ezek a gyulladási hımérsékletük elérésekor meggyulladnak. Az illó anyagok égését a kigázosodott maradék meggyulladása és égése követi. Az olaj. A tüzelı- és főtıolajok gazdaságos felhasználását a tárolási, szállítási, égetési, hıátadási folyamatokon át sok minden befolyásolhatja. A gazdaságosság, környezetvédelem és biztonság fogalmai egymástól nem választhatók el, ezért e fejezetben ezt a hármas követelményt igyekszünk együtt tárgyalni. Az olajtüzelésrıl röviden. A tüzelı- és főtıolajok közös jellemzıje, hogy könnyen szabályozható, magas hatásfokú elégetésük során felszabaduló energiájukat épületek, ipari létesítmények stb. főtésére használják. (Kazánok, kemencék, kályhák, szárítók stb. üzemeltetésére.) 10

11 A 60-as évek végén, a 70-es évek elején a tüzelı- és főtıolajok egyre több területrıl szorították ki a széntüzelést, mert a kıolajat olcsón lehetett termelni és gazdaságosan szállítani. Ebben a helyzetben született meg az akkori szénhidrogén-program a hazai energiahelyzet átalakítására. E program keretében megnövekedett a kıolaj feldolgozó kapacitás, tüzelıolaj eladóhálózatát az Áfor bıvítette, a Mekalorprogram meghirdetésével az olajtüzeléső berendezések gyártása indult meg. A gáz. Földgáz. A Magyarországon szolgáltatott vezetékes földgáz általános mőszaki adatait az MSZ 1648 szabvány tartalmazza. A szabvány tárgya az országos távvezetékes és a regionális rendszerrıl szolgáltatott, a gázenergiáról szóló törvény hatálya alá tartozó közszolgáltatású földgáz. A szabvány két földgázcsoportot különböztet meg, ezek jele: 2/H és 2/S. A szabvány a földgázcsoporton belül a földgáz égési jellemzıinek csak olyan mértékő változását engedi meg, amely a gázkészülék mőködését nem befolyásolja olyan mértékben, hogy a készülék vagy az égı megváltoztatására lenne szükség. Az adott területen szolgáltatott földgáz megváltoztatása esetén a készüléket át kell állítani, be kell szabályozni vagy alkatrészt kell cserélni a készüléktıl függıen. A szabvány elıírja, hogy a földgáz égéshıjének és főtıértékének ingadozása nem lehet több, mint a szerzıdésben rögzített érték ± 5 % -a. Propán-bután gáz A propán-butángáz minıségi elıírásait az MSZ 1601/1 sz. szabvány tartalmazza. A kereskedelmi forgalomba kerülı propán-bután gáz tömeg % propánt és tömeg % butánt tartalmaz. A gázellátó rendszer tervezésénél 50-50% összetétellel kell számolni. A propán-bután gáz színtelen, szagtalan a levegınél nehezebb nem mérgezı gáz. A propánbután gáz felhasználása ezért talajszintnél mélyebb padozatú helyiségben (pince, alagsor stb.) nem megengedett. A propán-bután gázt folyadék állapotban szállítják palackban vagy tartályban a felhasználás helyére. A felhasználás elıtt szintén folyadék állapotban tárolják. A felhasználáshoz (elégetés) a propán bután gázt el kell párologtatni. Az elpárologtatás hı felhasználással jár együtt, ezt a hıt vagy a környezetbıl vonják el vagy külön hıforrásból biztosítják (SINÓROS- SZABÓ, 2004). 11

12 Az egyedi főtések. Az egyedi (helyiségenkénti) főtések jó lehetıséget nyújtanak az energiatakarékos üzemeltetésre. Alkalmazásuk során törekedni kell az alábbiakra: - a helyiségek hımérsékletét ne engedjük a komfort hımérséklet fölé emelkedni (ne felejtsük el: minden 1 0 C túl hımérséklet 6%-kal növeli a főtési költségeket) - élni kell a szakaszos főtés lehetıségeivel. Különösen nagyobb hıtehetetlenségő épületeknél a komfort színvonal számottevı csökkenése nélkül lehet ezzel a megoldással energiát megtakarítani. - az idıszakosan vagy egyáltalán nem használt helyiségekben a belsı hımérsékletet csökkentsük az üzemszünet idejére. jelentıs megtakarítást eredményezhet, ha a főtıkészüléket gondosan üzemeljük és rendszeresen karbantartjuk (BARÓTFI, 1993). Grander vízélénkítı A vízélénkítı használatával eltőnnek a szennyezıdések, a szivattyúk teljesítménye javul, mert azok kevésbé erılködnek. A hőtıtornyok bádogtetején állandóan jelen lévı rozsda megszőnik, a hőtılemezeket nem kell takarítani olyan sőrőn, mert az algásodások és lerakódások eltőnnek. A konzervdobozok illetve üvegek záró fedele nem rozsdásodik. A víz tisztítása és cseréje ezen túl ritkábban szükséges (INTERNET B) Megújuló energiahordozók A napenergia közvetlen hasznosítása. A Napból a Földre érkezı sugárzás közvetlenül hı és villamos energia célra, vagy közvetve, mint biomassza, víz, szél, ill. geotermikus energia hasznosítható. Az aktív napenergia hıhasznosító rendszerek elemei. Az aktív napenergia-hasznosító rendszerek két fı eleme az elnyelı és energia átalakító egység valamint az energiatárolás egysége. Ezek a különbözı hasznosítási területeken különbözı hangsúlyt kapnak, és a rendszer üzemeléséhez szükséges egyéb egységekkel egészülhetnek ki. 12

13 Az aktív hıhasznosító rendszerek általában három alapvetı szerkezeti elembıl állnak: az elnyelı szerkezet(ek)-bıl (kollektorok), tárolóból és a mőködtetı szerkezetekbıl és hálózatból, a) Napkollektorok A kollektorok kettıs feladatot látnak el: egyrészt az érkezı elektromágneses sugárzást átalakítják hıenergiává, másrészt a keletkezett hıenergiát hıhordozó közegnek adják át. Ezeket a feladatokat a szerkezetnek minimális sajátveszteség mellett kell ellátnia. Az elnyelı szerkezet alaptípusa alapján megkülönböztetünk sík kollektort, és koncentráló elnyelıt. A sík kollektor hıszigetelı dobozba épített elnyelı felület, melynek felszínét különbözı, a sugárzást áteresztı burkolattal (pl. üveggel) fedik. b) A napelemek, napelem modulok A napelem olyan foto-villamos elem, mely a Nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja át villamos energiává. A félvezetı anyagokat érı sugárzás azon része, melynek EF energiája nagyobb, mint a félvezetı anyag E g tiltottsáv-szélessége, a félvezetı anyagban lyuk-elektron párt generálhat, amennyiben az anyag felületérıl nem verıdik vissza, illetıleg az abszorpcióhoz elegendı anyagvastagság áll rendelkezésre (SINÓROS- SZABÓ, 2004). Napelemes villamos energia termelés. A napelemek a fényenergiát közvetlenül elektromos árammá alakítják át. Mőködésük elve röviden az, hogy a félvezetık n-p átmenetén fellépı potenciál-gradiens helyét megvilágítva, a fény fotonjai energiájuk leadásával elektron-lyuk párokat keltenek. Az átmenet erıs elektromos tere az elektront az n tartományba, a lyukakat a p tartományba hajtja. Az átmenet két oldalát vezetıvel összekötve abban áram keletkezik. A napkollektorok a napenergia akár 80%-át is elnyelik, ellenben a sorozatban gyártott napelemek a fénynek mindössze 15%-át képesek villamos energiává alakítani. A 3. ábrán egy hálózatba visszatápláló napelemmel mőködı villamos energia megtakarítási rendszer felépítését láthatjuk (KACZ-NEMÉNYI, 1998). A napelemes rendszerek közül két féle létezik, a hálózatba visszatápláló és a sziget üzemő napelemes rendszer. A közüzemi villamos hálózatra visszatápláló napelemes rendszerek nagyon egyszerően és jól mőködı megújuló energiás rendszerek. Amikor süt a Nap és a 13

14 rendszer energiát termel, a megtermelt energiamennyiséggel két dolog történhet. Vagy rögtön elfogyasztásra kerül a napelemes rendszernek otthont adó háztartásban, ilyenkor megspórolva a lakóknak a villanyszámla erre az energiamennyiségre vonatkozó részét, vagy visszajut ez a zöld-energia a közüzemi hálózatba. Ebben az esetben a visszatáplált energia mennyisége mérésre, és késıbbi elszámolásra kerül a háztartás és az áramszolgáltató között. Egy hálózatra tápláló napelemes rendszer három fı részbıl áll: 1. napelem 2. inverter 3. termelés-fogyasztás mérı A napelemek megtermelik az energiát a napfény segítségével. Ez az energia egyenáramú, a napelemek fajtájától és számától függı feszültséggel. Ez még nem alkalmas sem a háztartás villamos fogyasztói számára, sem a hálózatra való visszatáplálásra. A megfelelı minıségő villamos energiává (230V, 50Hz váltakozó feszültséggé), az inverter alakítja át a napelemek energiáját. Ezenkívül az inverter ellát még nagyon sok védelmi funkciót is és intelligensen szinkronban dolgozik a hálózattal. Az inverteren keresztül a napelemek energiája a háztartás elektromos rendszerére kapcsolódik a villanyórán belül. A villanyóra sem marad a régi, hanem a rendszer üzembe helyezésekor az áramszolgáltató emberei kicserélik azt az úgynevezett ad-vesz órára, amely képes mérni mind a bejövı, mind a kimenı energia mennyiségét, tehát a visszatermelt és a fogyasztott energiát. A szigetüzemő napelemes rendszerek neve onnan ered, hogy önmagukban, önállóan mőködnek, mindentıl függetlenül, ellentétben a hálózatra kapcsolt napelemes rendszerekkel, melyek mőködéséhez elengedhetetlen a közüzemi villamos hálózathoz való csatlakozás. A szigetüzemő rendszereknél csak annyi energiánk van, amennyit megtermeltünk magunknak, azt pedig (egyelıre még csak) akkumulátorokban tárolhatjuk és onnan tudjuk ezt felhasználni. Kis rendszerek esetében sokszor elıfordul, hogy nem használunk invertert, mert kevés és egyszerő fogyasztónk van. Ha ezek 12 vagy 24V egyenfeszültséggel mőködnek, akkor egy jobb töltésvezérlı elektronika elirányítja a rendszerünket, védve a fogyasztókat, önmagát és az akkumulátorokat a káros terhelésektıl, üzemállapotoktól. Ha hagyományos, konnektorba dugható fogyasztóink vannak, akkor elı kell állítanunk nekik a szükséges 230V-os váltakozó feszültséget. Ehhez már szükséges az inverter (INTRENET C). 14

15 3. ábra. Napelemes villamos rendszer felépítése Forrás: INTERNET C A 4. ábrán a SHARP cég által kifejlesztett egyik napelem moduljának felépítése látható. Nagy hatásfokú (16,5%-os) napelem cellák és az ezekbe beépített bypass diódás funkció jellemzi. Ez az átadódiódás védelem megszünteti a szerelt napelem modulok egyik veszélyes jelenségét: az árnyékba került cella az ellenállás-változás miatt a többiek által továbbtermelt áram hatására olyan mértékben felmelegedhet, hogy határesetben károsodhat is. Az árnyékba került cellák egyébként jelentısen csökkentik a modulról levehetı teljesítményt (KACZ- NEMÉNYI, 1998). 15

16 A napelem hatásfoka. A mai szilíciumból készült napelemek maximális elméleti hatásfoka 21 %. A gyakorlatban ez az érték mintegy 18 %. Ezt az okozza, hogy a cellára érkezı fényenergia csak kisebb részben alakítható elektromos árammá, a nagyobb rész a cella felületén visszaverıdik. Ezért a felületet "antireflektáló" réteggel látják el. Ez a bevonat adja a szolár celláknak a tipikus kéksötétkék színt. Energia veszteség még abból is adódhat, amikor a beérkezı foton energiája nagyobb, mint amennyi egy elektron kiszabadításához kell, és a felesleges energia hıvé alakul. Ez azért is hátrányos, mert a napelemek csak egy bizonyos hımérséklet alatt mőködnek hatékonyan. Amikor túl kicsi a foton energiája az mindenféle munkavégzés nélkül elvész. A cella tetején lévı érintkezıket úgy alakítják ki, hogy ne árnyékolják a sugarakat, itt azonban fellép egy ún. ohmikus veszteség, mely a félvezetı-fém érintkezıi közti átmeneti ellenállásból származik (BARÓTFI, 1993). Napkollektor használata Magyarország éghajlati adottságai mellett aktív napenergia-hasznosítás céljára többnyire folyadék munkaközegő napkollektorokat alkalmaznak. Az ilyen napkollektoros hıtermelı berendezések általában az alábbi fı részekbıl állnak: - Napkollektorok, melyek elnyelik, hıvé alakítják és a folyadék munkaközegnek átadják a napsugárzás energiáját. 4. ábra. NT 50A72 E/S típusú napelem modul Forrás: KACZ-NEMÉNYI (1998), p.21 - Tárolók, melyek a napkollektorokkal termelt hıt meleg víz formájában tárolják. Mőködtetı, szabályozó, biztonsági és ellenırzı szerelvények. Ide tartozik a keringetı szivattyú, az automatika, a tágulási tartály, a biztonsági szelep, a nyomás- és hımérık, a szabályozó és váltószelepek valamint az egyéb szerelvények. - Csıvezeték rendszer, mely a kollektorokat köti össze a tárolóval. 16

17 A napkollektoros rendszerek a kollektorokban felmelegedı folyadék szerint lehetnek egy vagy kétkörösek. Egykörös rendszer esetén a kollektorokban közvetlenül a felmelegítendı használati víz kering. Az ilyen rendszer elınye az egyszerőség, hátránya a fagymentes idıszakra korlátozott alkalmazhatóság, valamint a kollektorokban a vízkövesedés, lerakódás és forrás veszélye. Kétkörös rendszer esetén a kollektor kör külön zárt kör, melyet megfelelı minıségő fagyálló hıátadó folyadékkal kell feltölteni. Ekkor a kollektorokban felmelegedett fagyálló folyadék hıcserélın keresztül főti fel a tárolóban lévı vizet. Kétkörös rendszerek egész évben, tehát télen is biztonsággal használhatók. A kétkörös rendszerek elınye a nagyobb éves energiahozam, a megbízható, a kollektorok vízkövesedését kiküszöbölı üzem, míg hátrányuk a hıcserélı miatti nagyobb beruházási költség, és a bonyolultabb fel, és utántöltés. A munkaközeg szállítása szerint a napkollektoros rendszerek lehetnek gravitációs vagy szivattyús keringtetésőek. Gravitációs keringtetés esetén a tárolótartály a kollektorok fölött helyezkedik el, és a folyadék munkaközeg keringése a kollektorban felmelegedett folyadék fajsúlycsökkenése miatt következik be. Az ilyen rendszerek elınye az egyszerőség, a keringetı szivattyú és automatika elmaradása, hátránya a tároló helyének kötöttsége. Gravitációs rendszereknél a keringést biztosító nyomáskülönbség viszonylag kicsi, ezért csak kis áramlási ellenállású kollektorokat és tárolókat lehet alkalmazni. Kétkörös, fagyállóval töltött gravitációs rendszereknél gyakran főtıköpenyes bojlereket alkalmaznak. Szivattyús keringtetéső rendszerek esetén a hıátadó folyadékot szivattyú áramoltatja. A szivattyús rendszerek elınye, hogy a tároló bárhol elhelyezhetı, kiterjedt rendszer építhetı, melyben nem kell kis áramlási ellenállású elemeket használni, és a szivattyú ki és bekapcsolásával, esetleg a fordulatszám változtatásával jól szabályozható üzem valósítható meg. Hátrányuk a nagyobb beruházási és üzemköltség. A folyadék munkaközegő kollektorokon kívül léteznek levegı munkaközegő, ún. levegıs kollektorok is. Ezek többnyire nagy felülető abszorberrel készülnek, és gravitációsan vagy ventillátorral levegıt keringtetnek rajtuk keresztül. Levegıs kollektorokat általában épületek főtésére használják (INTERNET E). 17

18 Az 5. ábra a kétkörös, szivattyús használati meleg víz készítı rendszer felépítését mutatja. 5. ábra. Napkollektoros meleg víz elıállítási rendszer felépítése Forrás: INTERNET E Egy új felfedezés a napenergia átalakítására, felhasználására. Stanford mérnökei rájöttek, hogyan lehet egyszerre használni a nap fénytét és a hıjét az áramtermelésre, oly módon, hogy a napenergia termelés a már meglévı módszerek több mint kétszeres hatékonyságával bírjon, és esetlegesen elég olcsó legyen ahhoz, hogy versenyezzen az olajjal. Szemben a napelemekben jelenleg használt fotovoltaikus technológiával, ami kevésbé hatékony, amint a hımérséklet növekszik az új eljárás magasabb hımérsékleteken jeleskedik. Az úgynevezett " photon enhanced thermionic emission" foton erısített izzókatódos kibocsátás, vagy PETE folyamat azt ígéri, hogy meghaladja a hatékonyságát a meglévı fotovoltaikus és termikus átalakítási technológiáknak. A eszköz megépítéséhez szükséges anyagok olcsóak és könnyen elérhetıek, vagyis a keletkezı áram megfizethetı lesz. A legtöbb napelem, mint például a háztetıkön használatos napelemek, szilícium félvezetı anyagot használnak a fény fotonjainak 18

19 elektromos árammá való átalakítására. Azonban a cellák a fény spektrumából csak egy bizonyos részt hasznosítanak, így a többi csak hıt termel. A hı a felhasználatlan napfénybıl valamint a cellák tökéletlensége több mint 50 százalékos veszteséget eredményez az cellát elérı kezdeti napenergiából. Amennyiben ezt az elpazarolt hıenergiát valahogyan hasznosítani lehetne, a napelemek sokkal hatékonyabbak lehetnének. A probléma az volt, hogy hı alapú átalakító rendszereknek magas hımérsékletre van szőkségük, mégis a napelemek hatásfoka hirtelen csökken magasabb hımérsékleteken. Mostanáig, senki sem próbálkozott azzal, hogy házasítsa a hı- és napelem átalakítási technológiákat. A kutató csoport rájött, hogy ha egy félvezetı anyagot egy vékony réteg cézium nevő fémmel vonnak be, akkor az anyag képes lesz egyszerre a fényt és a hıt is villamos energia termelésre használni. Egy új fizikai folyamatot mutattak be, ami nem a hagyományos napelemes mechanizmuson alapszik, de egy napelemhez hasonló reakciót eredményez nagyon magas hımérsékleten." Míg a legtöbb szilícium cella elérve a 100 C fokot mőködésképtelenné válik, a PETE nem éri el a csúcsteljesítményét 200 C fok alatt. Mivel a PETE a tetıtéri napelemekhez viszonyítva jóval magasabb hımérsékleten teljesít a legjobban, ezért az eszköz az olyan napenergia győjtıkben üzemel a legjobban, mint a parabola tányérok, amelyek akár a 800 C fokot is elérhetik. A tányérokat hatalmas napenergia farmokon használják, a Dél-Kaliforniai Mojave sivatagban használtakhoz hasonlóan, melyek általában tartalmaznak egy hı átalakító mechanizmust, egy újabb lehetıséget biztosítva a PETE energia termelésének, valamint a már meglévı technológiák ötvözéséhez szükséges költségek csökkentésére. A fény elıször a PETE eszközünket találná el, ahol felhasználnánk mind a beérkezı fényt és a hıt, majd a hulladék hıt a már meglévı hı átalakító rendszerekre irányítanánk át. Tehát a PETE folyamat két igazán nagy elınnyel bír a normál technológiával szemben. A napelemes rendszerek esetében sohasem termelıdik olyan forró hulladékhı ahhoz, hogy hasznosak lehessenek a hıenergia átalakításhoz, ellenben a magas hımérsékleten üzemelı PETE tökéletes hasznos magas hımérséklető hulladékhı termelésére. Számítások szerint a PETE folyamat akár 50 százalékos hatékonyságot is elérhet, sıt kombinálva a hı átalakító ciklussal 55 vagy akár 60 százalékot is majdnem megháromszorozva a létezı rendszerek hatékonyságát. A csapat úgy szeretné megtervezni az eszközt, hogy azt könnyen a meglévı rendszerekhez lehessen építeni, ezáltal az átalakítást minél költséghatékonyabbá tenni. 19

20 A kutatók gallium nitridet használtak félvezetıként a prototípus tesztelésekor. Az elért hatékonyság jóval az elıre kiszámított értékek alatt voltak, ahogy azt várták. Azért használtak gallium nitrid félvezetıt, mert ez volt az egyetlen olyan anyag, amely képes volt ellenállni abban a magas hımérséklet tartományban amelyben érdekeltek voltak a PETE folyamat alatt. A megfelelı anyaggal, leginkább egy félvezetıvel, mint például a gallium-arzenid, amely megtalálható számos háztartási elektronika eszközben, a kutatók számításai szerint a tényleges hatékonysága a folyamatnak elérheti akár az százalékot is. Már további anyagokat is vizsgálnak, amelyek megfelelıek lehetnek. A PETE rendszer egy másik elınye, hogy egy napenergia győjtıvel kombinált eszköz megépítéséhez szükséges félvezetı anyagok mennyisége meglehetısen kicsi. Minden egyes eszközhöz mindössze egy körülbelül 6 hüvelykes félvezetı cellára lenne szőkség. Tehát az anyagköltség nem igazán probléma, szemben a nagy szilícium napelemekkel. Az anyagköltség mindig is egy hátráltató tényezıje volt a napenergia iparnak. Egy napenergia farm építéséhez szükséges befektetési tıke csökkentése tehát nagy elınyt jelent. Még ha nem is érünk el tökéletes hatékonyságot, de mondjuk ha 10 százalékos javulást érünk el a napenergia átalakításánál, akkor a 20 százalékos hatékonyságról 30-ra emeljük, és ez még mindig 50 százalékos növekedés. Ez még mindig elég nagy növekedés ahhoz, hogy a napenergiát versenyképessé tehesse az olajjal szemben (INTERNET F). A biomassza energetikai hasznosítása A mezı- és erdıgazdasági termelés tulajdonképpen a napenergia transzformációja. A Föld felszínére érkezı napenergiát a növényi klorofil kémiai energiává alakítja át, amely táplálék, élelem, nyersanyag, energiaforrás stb. A biomassza fogalom alatt a szárazföldön és vízben található, összes élı és nemrég elhalt szervezetek (mikroorganizmusok, növények, állatok) tömegét, a mikrobiológiai iparok termékeit, a transzformáció után (ember, állat, feldolgozó iparok) keletkezı valamennyi biológiai eredető terméket, hulladékot kelt érteni. (Maga az ember is biológiai tömeg, azaz biomassza, nem tartozik bele a biomassza rendszerezésbe, de az ember által terhelt melléktermék már igen.) 20