Szakdolgozat. Fókuszált napenergia és annak hasznosítási lehetıségei

Átírás

1 Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Környezettudományi Centrum Szakdolgozat Fókuszált napenergia és annak hasznosítási lehetıségei Készítette: Milus Bálint biológia-környezettan tanár szak Témavezetı: Horváth Ákos Tanári konzulens: Böddiné Schróth Ágnes Budapest, 2009 Eötvös Loránd Tudományegyetem

2

3 1. Bevezetés 1.1. A 21. sz. társadalmainak energiakérdése, fosszilis energiahordozók felhasználásának problémái Az emberiség életét, fejlettségtıl függetlenül, mindig nagyban befolyásolta a számára felhasználható energia, kezdve az emberi és állati izomerıtıl, a biomasszán át, a jelen kort meghatározó fosszilis energiahordozókig. A társadalmak kulturális, tudományos és technikai fejlıdésük során egyre több energiát igényeltek, mely új energiafelhasználási módokat és új energiahordozók megjelenését eredményezte. Az elsıdleges cél mindig a megnövekedett energiaigény kielégítése volt. Az ember az elmúlt évben megközelítıleg 120 szorosára növelte energiaigényét. Jelenleg a fosszilis energiahordozókból fedezzük energiafelhasználásunk túlnyomó többségét (2000-ben 85.6% - KISS Á., KÖRNYEZETFIZIKA JEGYZET, 2004.). Ezen energiahordozók (szén, földgáz, kıolaj) újratermelıdése a felhasználás sebességéhez és az emberi élet léptékéhez képest túlságosan hosszú, ezért ezek technikai szempontból nem megújuló energiaforrások, mennyiségük véges, egyes számítások alapján kb évre elegendıek még (KISS-HORVÁTH, 2006) További energetikai probléma, hogy földrajzi elhelyezkedésük egyenletlen és a világ legnagyobb fogyasztótársadalmai éppen energiahordozóban szegény területeken lelhetık fel. A fosszilis energiahordozók megnövekedett felhasználása (leegyszerősítve: elégetésüket) tehetı felelıssé mára a globális éghajlatváltozásért (az üvegházhatású gázok globális kibocsátásának 63%-át az energiatermelés és fogyasztás okozza DR. MUNKÁCSY B., AZ ENERGIAGAZDÁLKODÁS ÉS AZ EMBERI TÉNYEZİ, 2008.). Ezen tények fényében belátható, hogy energiagazdálkodási szerkezetváltásra van szükség, mely a jelenlegi központosított nagy erımőveket elınyben részesítı energiapolitika átalakítása mellett, egyrészt társadalmi változásokat igényel, így többek közöt a fogyasztás csökkenését, hatékonyabb felhasználást feltételez, másrészt új és már régóta ismert technológiák, a megújuló energiaforrások (víz-, szél-, napenergia, biomassza) növekvı bevonását jelenti. Ezek nem csak újratermelıdnek, de földrajzi eloszlásuk is jóval egyenletesebb, mint fosszilis társaiké. Dolgozatom a lakossági és ipari célokra is egyaránt alkalmazható napenergia-hasznosítási mód egy szegmensét képezı napkollektoros rendszerekkel foglalkozik, különös tekintettel a fókuszált napenergia hasznosítására. 3

4 1.2. Megújuló energiaforrások az EU-ban és Magyarországon (célkitőzések, vállalások, irányelvek) Az energetikai szerkezetváltást, így a megújuló energiaforrások bevonását, rengeteg érdek mozgatja. Akár a gazdaság számára kívánatos stabilitást, folyamatos növekedést és az ebbıl fakadó növekvı energiaigényt, akár a fenntarthatóságot és így az újratermelıdést, a környezet és egészség védelmét vesszük figyelembe, hosszú távon egy alternatív út látszik kijelölve a világ országainak energiapolitikájában: a megújuló energiaforrások kiaknázása és részesedésük lehetıség szerinti fokozása az energiatermelésben. Az Európai Unióban (továbbiakban EU) ig várhatóan 50%-kal nı a földgázkereslet, de már 2020-ra 22%-os fedezeti hiánnyal kell számolni (ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN, SZ. P. 31.). Az EU megújuló energiákra vonatkozó energiapolitikai irányelvét jól érzékelteti, hogy az EU-ban a megújuló energiahordozók részaránya az összes energiatermelésben 2000-ben átlagosan 6% (Magyarországon 3,6% ), 2020-ban várhatóan 20% lesz (míg Magyarországon ez 14% körül alakulhat majd) (MUNKÁCSY B., ENERGIAGAZDÁLKODÁS PPT, 2007.). Az EU vállalás alapján nem csak a megújulók részesedése növekszik, hanem ezzel egyidejőleg 20 %-kal kell csökkenteni a szén-dioxid kibocsátását, és 20 %-kal kell növelni az energiahatékonyságot. A megújuló energiahordozók terjedését nagyban segíti ez a politikai hozzáállás, hiszen nem csak az állami beruházások révén nı így meg a kereslet ezen technológiák iránt, hanem pályázati pénzek, és fıleg állandó állami támogatások révén a lakossági kereslet is fokozódik; ez ösztönzi az ilyen irányú technikai fejlesztéseket, és végsı soron egyre elérhetıbbé és gazdaságosabbá válik ezen energiahordozók kiaknázása. költség 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ábra. A megújuló energiahordozók költségcsökkenése (FORRÁS: NREL, 2005) biomassza földhı napelem szél napkollektor Magyarország (továbbiakban Mo.) jelenlegi energiapolitikája a 21/1993.(IV. 9.) sz. országgyőlési határozaton alapszik, mely olyan fıbb stratégiai elemeket foglal magában, mint az energiaellátás 4

5 diverzifikációjának fokozása, a Szovjet utódállamoktól való importfüggıség csökkentése, az energiahatékonyság növelése, fokozott környezetvédelem, így az erımővek szennyezıanyag kibocsátásának csökkentése. A Nemzeti Környezetvédelmi Program (NKP) ig teljesítendı 97 célkitőzése között is szerepel a megújuló energiafelhasználás ösztönzése és megfelelı támogatási rendszer kialakítása. Ezért az NKP egy rövid és középtávú megújuló energiaforrás fejlesztési program létrehozását javasolta. Továbbá az Országos Területfejlesztési Koncepció egyik fı célkitőzésének tartja a környezetvédelem és a természeti erıforrások fenntartható kihasználását és kezelését. Ezen kormányzati programok és célkitőzések értelmében a megújuló energiafelhasználás arányát Mo.-on a 2007-es 3%-ról 2010-re 5-6%-ra kell növelni; ez a megújulók részarányának megduplázását jelenti, mely illeszkedik az EU említett célkitőzéseihez A megújuló energiák felhasználásának áttekintése, történeti háttere A megújuló energiaforrások versenyképessége benne rejlik magában az elnevezésben. A megújuló kifejezés arra utal, hogy emberi léptékben, illetve felhasználásuk ütemében újratermelıdnek. Összevetve a fosszilis energiahordozók végességével és tartalékaik kimerülésének prognózisával érthetıvé válik, hogy a mára mind gazdaságilag, mind politikailag általánosan elfogadottá vált fenntartható fejlıdés gondolatába könnyen és jól beleilleszthetıek a megújuló energiaforrások. Azonban ezen energiaforrásoknak nem csak revolválódásuk ad teret az energiapolitikában, hanem alacsony környezeti terhelésük is. Mindennek ellenére jelenleg az emberiség összes energiaszükségletének csekély, mindösszesen 0,5%-át fedezi megújuló energiákból. A megújuló energiaforrásokat a szolgáltatott energia típusa szerint három kategóriába sorolhatjuk: rendezett mozgási energiát hordozók, kémiai és villamos energiát hordozók, hıenergiát hordozók, melyek nem a megszokott anyagi értelemben (pl.: szén, kıolaj, földgáz) energiahordozók (a biomasszától eltekintve). A rendezett mozgási energia források már régóta ismertek az ember számára, ide tartozik a vízenergia és a szélenergia. Az ember ezeket technikai fejlıdésének kezdetétıl ismeri és használja, mind a közlekedésben (hajózás), mind a mezıgazdaságban (vízi- és szélmalmok). Az iparosodással és az igények változásával alkalmazásuk átalakult, és mára elektromos áram 5

6 termelésre hasznosítják ezeket. A vízenergia az egyetlen, amely számottevı a világ energiaigényének kielégítésében (2,3 %), alkalmazási formái, bár eltérıek lehetnek, lényege, hogy a víz áramlásánál (vagy zuhanásánál) fogva áramtermelı generátorokat hajt meg. Az áramlás létrejöhet úgy, hogy folyó vizeket duzzasztanak fel gátrendszerek segítségével (duzzasztómő), vagy az ár-apály vízmozgást használják ki hasonló elven. A szélenergia hasznosítása során az ember a Föld légköri áramlásait aknázza ki a levegı áramlás útjába állított széllapátok segítségével, mely forgási energiát hoz létre, ezt szintén áramgenerátorok meghajtására alkalmazzák. A kémiai energiaforrások nagyon hasonlóak a már nagy tömegében használt fosszilis energiahordozókhoz és egyben a legrégebbi energiahordozónak számítanak az emberiség történetében (lásd tőzifa). A biomassza elnevezés, mint megújuló energiaforrás, alatt azon biológiai úton keletkezı (zömmel növényi, vagy autotróf módon termelıdı, illetve állati szervezetek vagy az ember által megtermelt hulladék) anyagokat értjük, melyek nagy energiatartalmuk (vagy ezekbıl mikrobiális úton felszabaduló bomlástermékek, mint pl.: metán) révén alkalmasak a bennük rejlı kémiai energia kinyerésére (egyszerősítve: elégetésre). Alkalmazásuk sokrétő a teljesség igénye nélkül a következık: az ipar (pl.: Ajkai hıerımő) és a lakosság is használ fatüzelést hıenergia elıállítására, a biodízel és bioetanol növényi eredető folyékony tüzelıanyag, melyet elsısorban a közlekedés hasznosít, továbbá kommunális szemétbıl, állati ürülékbıl, növényi hulladékokból biológiai úton (lebontó folyamatok) nyerhetı éghetı gázok (leggyakrabban metán) a földgázhoz hasonló, elsısorban ipari céllal hasznosítják (bio-gázerımővek). A biomassza hasznosítása reneszánszát éli, rengeteg lehetıséget rejt magában. Azonban érdemes szem elıtt tartani, hogy a biomassza termelés és felhasználás a gazdaság más összetevıire milyen hatással van, így a biomassza-termelés esetén az ipari célú mezıgazdasági termelés nem lehet totális felváltója az élelmezés célú gazdálkodásnak (növekvı élelmezési gondokat és élelmiszer áremelkedést vonhat maga után). A megújuló energiaforrások által termelt hıenergia, több forrásból is származhat: lehet geotermikus energia és származhat a napsugárzásból, mely egy viszonylag nagy energiát hordozó elektromágneses sugárzás. A geotermikus energiát a Föld radioaktív atomjainak bomlásából felszabaduló energia és a maradékhı hozza létre, aminek következtében a Föld hıt bocsájt ki. Sugárirányban haladva a Föld középpontja felé kilométerenként átlagosan 30 C-kal emelkedik a hımérséklet, ez földrajzi elhelyezkedéssel változhat, hazánkban ez az érték C körül van. 6

7 A geotermikus energia kiaknázására a magas hımérséklető termálforrások, vagy a vulkáni tevékenységeket kísérı gejzírek a legalkalmasabbak, mivel ezek hımérséklete kellıen magas ( nagy energiatartalmúak) és könnyen hozzáférhetıek. Egy geotermikus erımő kb liter 150 C hımérséklető vízbıl percenként 1 MW teljesítményt állít elı. A geotermikus energia mesterségesen is hozzáférhetı fúrások útján, és nagy elınye, hogy folyamatosan elérhetı, továbbá a világon mindenhol rendelkezésre áll, bár kétségtelen, hogy vannak kevésbé költségesen kiaknázható területek, ide tartozik Magyarország is. A másik hıenergia forrás a Nap. A napsugárzás révén a légkörön határára érkezı energia nagysága 1370 W/m², ez a napállandó. Ezt a viszonylag nagy energiájú sugárzást a Föld elnyeli, illetve részben visszaveri, a föld által visszasugárzott energia, hısugárzás formájában jelenik meg. A napsugárzás hıenergiaként való hasznosítása ugyan ezen az elven mőködik, vagyis a beesı napsugarakat, elnyeletik valamely abszorber tárgy (napkollektor) segítségével, mely késıbb közvetítı (hıközlı) anyagokon keresztül vagy direkt módon (pl.: kerti zuhany melegvize) vagy közvetett módon (fagyálló hıátadó folyadékok) kerül felhasználásra. Alkalmazása a lakosság körében egyre elterjedtebb fıleg használati melegvíz készítésre, illetve főtés rásegítésre, míg ipari célú felhasználása gyerekcipıben jár még. Iparilag leginkább a hagyományos gızturbinás rendszerek meghajtására, hıforrásként hasznosítják, de történnek fejlesztések szélturbinák és Stirling-motorok meghajtására is. Dolgozatom célja egy jelenleg kevéssé elterjedt és ismert alkalmazási terület, a fókuszált napenergia-hasznosítás megismertetése és a benne rejlı lehetıségek számbavétele, többek közt egy saját fókuszáló rendszer megépítésén keresztül, így ezen rendszerekkel részletesebben a következı fejezetekben foglalkozom. A napsugárzást direkt módon is alkalmazzák villamosáram termelésre, fotovillamos modulok (napelemek) felhasználásával. Ezek két rétegőek (pozitív és negatív) félvezetı szolár cellákból állnak, melyeket a fény fotonjai gerjesztenek, ezen gerjesztett elektronok villamosáramot hoznak létre. Alkalmazási területük széleskörő, így az iparban gyárak, üzemek, érzékelık elektromosáram ellátására használják, a nagy kiterjedéső napelem mezık rátermelnek a villamos hálózatra, továbbá lakossági eszközök közt is nap mint nap találkozhatunk napelemekkell. Látható tehát, hogy a megújuló energiaforrások sokrétő alkalmazást tesznek lehetıvé, azonban mint minden változást, a megújuló energiaforrások szélesebb körő bevezetését és elterjedését is sokan ellenzik. A megújuló energiaforrásokkal szemben gyakran merülnek fel 7

8 kifogások. Az egyik az, hogy csak idıszakosan képesek termelni, ez leginkább a szél- és napenergia hasznosításnál merül fel problémaként. Az így termelt energia idıjárásfüggı, ami kiszámíthatatlanná teszi a termelést, szemben egy hıerımő vagy egy atomerımő statikus termelésével. Valójában a centralizált, nagy erımővekbıl álló hálózat üzemeltetése is felvet néhány kérdést a kiszámíthatósággal kapcsolatban: azaz hogyan tudja követni a néha szélsıségesen változó, dinamikus fogyasztás igényeit (erıs napszak és évszak függés) a maga állandó termelésével (Pl.: Paksi Atomerımő reaktorblokkjai nem visszaterhelhetık), illetve egy decentralizált szélerımő hálózat kis valószínőséggel egyszerre mőködik vagy éppen áll le. A másik ellenérv a magas ár. Azt hogy egy energiahordozó mennyire drága, azt termelési költsége (végsı soron eladási ára) és az állami támogatás mértéke szabja meg. Az állami támogatás 2. ábra. A kıolajszármazékok árának alakulása (FORRÁS: visszaesésével a költségesebb, és eddig nem vagy csak beruházási oldalon támogatott megújuló energiaforrások jobb piaci helyzetbe kerülnek. Továbbá a fosszilis energiahordozók világpiaci ára hosszabb távon mindenképpen növekszik, így csökken az árkülönbség is. A harmadik ellenérv az esetleges ökológiai negatív hatások, mely probléma eddig leginkább a vízerımővek esetén került elı Mo.-om. Ezek az erımővek telepítése valóban csak átgondolt tervezés és szakmai egyeztetés után (az érintett civil szervezetek bevonásával), konszenzusos döntés eredményei lehetnek, azonban nem elhanyagolható tény, hogy a potenciálisan telepíthetı vízerımővek a Földön összesen 3 TW energiát tudnának szolgáltatni, mely jelenleg 21%-át fedezné a világon 8

9 elfogyasztott energiának. Egy másik, a közelmúltban kutatott ökológiai problémával is számolni kell, mely a fotovillamos termelık (napelemek) terjedésével is összefüggésben áll; egyes rovarok fajok tájékozódását megzavarják a napelem modulok, melyek így azok környékén kezdenek rajzani és tesznek sikertelen próbálkozást a szaporodásra, ez azonban vélhetıen elhanyagolható mértékő a hasonló problémát okozó üveghomlokzatokhoz képest. 2. A napenergia hasznosításának fizikai, földrajzi, meteorológiai, technológiai háttere 2.1. A napsugárzás, mint elektromágneses sugárzás fizikai alapjai A Nap a földi élet kulcsa, az általa a Földet érı elektromágneses sugárzás, azaz a napsugárzás tartja fenn és szolgáltat energiát az élıvilág számára és többek között teremt megfelelı körülményeket az élı szervezetek fennmaradásához. A Nap a naprendszer legfontosabb és legnagyobb égiteste, csaknem 1,4 millió km átmérıjő, sárga csillag. Egy plazma gömb, mely centrális hımérsékletét 15 millió K-re becsülik, itt fúziós folyamatok zajlanak, minek következtében hidrogén héliummá alakul, ez látja el energiával; felszíni (fotoszféra) hımérséklete 6000 K körüli, innen érkezik a látható fény. A hidrogén héliummá alakulásakor, a már említett fúziós folyamat zajlik le, a csillagok energiatermelését magyarázó magfúziós elméletet George Gamow és Teller Ede dolgozta ki 1938-ban, ennek lényege hogy ha a bejövı atommag olyan mélyen behatol a másik Coulomb-taszításának övezetébe, hogy eléri annak nukleáris vonzástartományát, a magerı magához rántja a behatoló atommagot, munkavégzése mozgási energiát termel, majd ez az energia foton formájában kisugárzódik. A létrejövı nukleáris kötés hidrogénbıl nehezebb atommag kialakulásához vezet. (MARX GYÖRGY, ATOMMAGKÖZELBEN, 70.O., 1996). A Nap tömegének meghatározó részét adó könnyő hidrogénben ( 1 H) a nukleáris vonzás nem képes fúziót elıidézni, a könnyő hidrogénbıl instabil hélium atommag jön létre ( 1 H+ 1 H 2 He). Ez a két proton nem képes kötött rendszert alkotni, azonban kis valószínőséggel pozitív β-bomlás (pl.: elektron befogás) jön létre és deuteron keletkezik (e He 2 H). A deuteron már alkalmas további magfúzióhoz, a folyamat végeredménye pedig 4 He és a felszabaduló számunkra oly jelentıs - kötési energia (4 1 H 4 He+ e + +e + +5 pj). A β-bomlás úgy szabályozza be a folyamatban a hidrogén fuzionálását, hogy annak ideje sok milliárd évre 9

10 nyúlik el, megnövelve a Nap élethosszát. Számokban: a kg tömegő energiaszolgáltató csillagunk tíz milliárd éven keresztül 4*10 26 watt teljesítményő energiát sugároz ki, 1 kg hélium képzıdésekor kb. 180 millió kwh energia szabadul fel. Földünkre ebbıl annyi energia jut három nap alatt, mint amennyit jelenleg az emberiség egy év alatt termel meg. Az atmoszféra határát 1,37 kwh/m² értékő sugárzás éri el (napállandó), ebbıl a Föld felszínére megközelítıleg 0,34 kwh/m² teljesítmény jut el, a teljes Földre beesı sugárzás 170 milliárd MW, azaz kb. 2*10 34 J évente, ez összehasonlítás képen szerese a világ teljes energiaigényének (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007). 3. ábra. Az elektromágneses sugárzás spektruma (FORRÁS: WIKIPEDIA) 2.2. A Földre jutó napenergia sorsa, a napsugárzás energetikai kérdései (nappálya, beesési szög, intenzitás) A légkört elérı napsugarak (I 0 ) egy része visszaverıdik a légkör molekuláin (visszavert sugárzás), ez kb. 35%, egy részét a légkör nyeli el, kb. 17%, a maradék 48 % éri el a földfelszínt. A felszínt a napsugárzás érheti közvetlenül (direkt) módon, valamint szórt sugárzás formájában, a kettı összesen adja a teljes, vagy más szóval globál sugárzást. A közvetlen sugárzás a Nap irányából, párhuzamos sugarakkal, közel akadálytalanul éri el a felszínt. A szórt sugárzás a légkör összetevıin szóródik, iránya eltérı a direkt sugárzásétól. A szóródás mértéke függ a földrajzi adottságoktól és az éghajlati tényezıktıl, vagyis ha a napsugaraknak minél hosszabb utat kell megtennie a légkörben (alacsony fekvés) és az idıjárási viszonyok (végsı soron általánosságban éghajlati sajátosságok) rosszak (magas páratartalom, felhı, köd stb. formájában) 10

11 akkor a szóródás annál nagyobb. Nyáron átlagosan 50% körüli a szórt sugárzás, télen lényegesen nagyobb. A szórt és direkt sugárzás aránya megszabja a hasznosítható energia mértékét, vagyis annál nagyobb a kinyerhetı energia mértéke, minél nagyobb a direkt sugárzás. Azok a földrajzi területek, melyek magasan fekszenek, általában véve elınyösebbek, mivel a magasabb területeken ritkábban borult az ég, nagyobb az évi napsütéses órák száma az azonos földrajzi szélességen fekvı alacsonyabb területekhez képest. Magyarországon a direkt sugárzási értékek, vagyis a napsütéses órák száma, területi eloszlást figyelembe véve óra közt változik, ennek 75 %-a a nyári évszakra esik (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007). Ezért a napenergia télen a főtési rendszerek kizárólagos energiaforrásaként nem, vagy csak igen nagy túlméretezéssel alkalmazhatóak, ezért (fıleg a beruházási költségek és a technikai megvalósíthatóság miatt) sokkal inkább rásegítı szerepet töltenek és tölthetnek be a főtésrendszerek tekintetében. Itt szükséges megjegyezni, hogy a szórt sugárzás télen eléri az 50 W/m² teljesítményértéket, amit ha összehasonlítunk a főtésméretezésnél irányadó 75 W/m² teljesítménnyel (norvég főtésteljesítmény standard), amely megfelelı technikával elég jelentıs 4.ábra. Napsütés idıtartama éves átlag havi bontásban (FORRÁS: 5.ábra. A napsütéses órák évi összege és földrajzi eloszlása (FORRÁS: 11

12 lehetne. Magyarországon évi 2200 napsütéses órával számolva 1300 kwh/m² a napsugárzás éves összege, ebbıl átlagosan a napkollektoros rendszerek 420 kwh/m²/év energiát nyernek (32-33%- os hatásfok). Ezt alapul véve egy Tisza tó nagyságú (127 Km 2 ) területen 53,34 TWh/év energia lenne megtermelhetı a már ismert technológiákkal, ami kb. másfélszerese a magyarországi évi energiaszükségletnek. Látható tehát, hogy emberi léptékkel mérve hatalmas mennyiségő energia éri el a Földet, ami részben visszaverıdik, részben elnyelıdik a felszínen. A felszín anyagminıségétıl függıen különbözı mértékben veri vissza a sugarakat, ennek mérıszámát albedonak nevezik. A hó 80-85%-os albedójú, mely érték tehát kifejezi,hogy hány százaléka verıdik vissza a havat ért sugárzásnak. A kisugárzott energia a felszínt infravörös sugarak formájában hagyja el (radiáció), továbbá energia fordítódik a nedvességtartalom elpárolgására, illetve a növények fotoszintézisére. Ez a kisugárzott hımennyiség nem vész el, mivel a légkör páratartalma, gázai és szennyezıdései, visszaverik illetve elnyelik és visszasugározzák a felszín felé, ezt a jelenséget hívják üvegházhatásnak. Ennek a csapdázódásnak a következménye, hogy a Föld feletti levegı átlag hımérséklete +15 C. Léteznek természetes napkollektorok is; az óceánok, tengerek, vizek albedója 5%, vagyis a beesı napsugárzás 95%-át elnyelik és mivel a víz fajhıje nagy, ezért jobb hıtároló, mint a kövek, talaj, növényzet (általánosságban: a szárazföldek), így óriási hıtartalékot jelentenek. További természetes napkollektorok a sóstavak, melyek eltérı hıháztartásúak az óceánoktól. Ezek a tavak úgy mőködnek, hogy mikor a napsugarak felmelegítik a vízfeneket, az itt létrejövı melegebb víz normálisan felemelkedne más tavakban vagy óceánokban fajsúly csökkenésük miatt, azonban a magas só koncentrációjú vizekben a melegebb víz még több sót old, így fajsúlya növekszik, ami meggátolja felemelkedését. A tó fenekén akár 90 C-os hımérséklető is lehet a víz, melyet a felette rétegzıdı alacsonyabb hımérséklető vízrétegek elszigetelik a külsı, hidegebb környezettıl. Ezen tavak kiaknázása még folyamatban van. A Földön a nappalok évi átlagban egyenlı hosszúságúak, azoknak csak eloszlásukban van különbség, az egyenlítıtıl való távolság tehát az évi besugárzás idıtartamát nem befolyásolja, azonban a napsugarak beesési szögére hatással van. A napsütéses órák évi átlagát tehát a földrajzi hosszúság és szélesség önmagában nem befolyásolja, de a földrajzi elhelyezkedésbıl fakadó éghajlati eltéréseket(éghajlati övezettség), továbbá a lokálisan változó domborzati viszonyok eltérı klimatikus viszonyokat eredményeznek, így valójában az évi napsütéses órák szám az eltérı földrajzi pontokon nagy különbségeket mutathatnak. Ez az oka annak, hogy a térítık 12

13 mentén kialakuló sivatagokban magasabb a napsütéses órák száma, mint egyenlítı környékén (eltérı klimatikus viszonyok). A napsugarak intenzitása a Föld minden pontján azonos, így ha a napsugarak merılegesen esnek be, akkor egységnyi felületen mérve, minden szélességi fokon azonos sőrőségő, vagy ha úgy tetszik azonos mennyiségő energia juthat a felszínre. A Föld felszíne azonban eltérı szöget zár be a különbözı szélességi fokokon a napsugarakkal (90 -φ±δ= maximális nap magasság, azaz a beesési szög, ahol φ a földrajzi szélesség, δ pedig a Nap deklinációs értéke), tovább árnyalja a helyzetet, hogy a felszín is egyenletlen(északi és déli lejtık eltérése), a nap pedig mozgásban van, ezért idıben is változik a sugarak beesési szöge. Ha a napsugarak ferde szögben esnek egy felületre, akkor egységnyi felületen annál kevesebb sugárnyaláb esik be, minél ferdébb szögben éri az adott területet (a sarkok környékén negyed annyi energia jut le a egységnyi felületre mint az egyenlítı környékén). Látható tehát, hogy a beesési szög hogyan befolyásolja az energiasőrőséget, egy másik fontos tényezı az abszorbció mértéke. A fotonok mikor áthatolnak a légkörön, annak alkotóival ütközhetnek (abszorbeálodnak), az ütközések a kezdeti I 0 intenzitás csökkenését fogják okozni, a két intenzitás közti eltérést az abszorbció mértékét adja meg. A légkör vastagsága hatással van a beesı fény intenzitására, mivel minél vastagabb, azaz nagyobb légtömegen kell keresztül hatolnia a fénynek, annál nagyobb valószínőséggel abszorbeálódnak a fotonok. Egy leegyszerősített számolással figyelembe vehetjük az elérı szélességi fokokra érkezı fény úthosszát úgy, hogy az adott szélességi fok cosinusának reciprokát vesszük, mely az optikai légréteg vastagságát (air mass: m) fejezi számunkra ki (1/cosα=m) A napenergia felhasználásának technológiai lehetıségei, háttere (napelem, napkollektor mőködésének bemutatása, kollektor típusok) A napenergia felhasználása a már leírtak alapján reális és jártható alternatív útnak látszik az energetikai szerkezetváltás szempontjából hazánkban is. A földrajzi adottságok behatárolják a hasznosítás lehetıségeit, de más tılünk kevésbé kedvezı elhelyezkedéső országokból kiindulva (Dánia, Finnország, skandináv országok), szembetőnik lemaradásunk e téren (is). A következıkben sorra veszem a napenergia hasznosítás már létezı és alkalmazható úgynevezett aktív (az ide vonatkozó szakirodalmak megkülönböztetnek aktív, gépészeti, és passzív, építészeti napenergia hasznosítást) technológiai lehetıségeit, melyek alapvetıen három nagy csoportba 13

14 sorolhatóak: fototermikus, fotovillamos és kombinált rendszerek (ez utóbbiakat külön a harmadik fejezetben tárgyalom részletesen) Fototermikus rendszerek A fototermikus rendszerek, ahogy azt az elnevezés is mutatja, a hıenergia elıállítását végzik, mely energia valamely közeg felfőtésére használható fel. Javarészt az így megtermelt hıenergiát főtésre (itt épületek hımérsékletemelése), vagy használati meleg víz elıállításra fordítják. Ez az egyik legelterjedtebb felhasználási mód a világon, melyet magyaráz, hogy technológiailag könnyen kivitelezhetı,viszonylag alacsony beruházási költségek mellett, jó megtérüléssel alkalmazhatóak (melegvíz használatnál egy villany bojlerrel összevetve kb. 2-5 év után behozza az árát) egyszerő, praktikus rendszerek. Tekintettel arra, hogy hazánk éghajlata mellett egy háztartás éves energiaigényének 60-65%-át a főtés emészti fel, mely nem csak a költségeket növeli,de ha a főtést nem megújuló energiaforrással fedezzük, ez jelentıs CO 2 kibocsátást is eredményez. Azonban érdemes ismételten megjegyezni, hogy a napenergia mint kizárólagos energiaforrás egy háztartás főtésénél nem alkalmazható, mivel bár éves szinten jól tervezhetı, de a mindennapokban esetleges az elérhetısége (erıs idıjárás függés jellemzi). Ezért a fototermikus rendszerek leginkább rásegítı, alternatív megoldást szolgáltathatnak a háztartásokban. A fototermikus rendszerek lelke a napkollektor, ez egy olyan tárgy, mely jó hatásfokkal nyeli el a napsugarakat, alakítja át hıenergiává és adja át a benne áramló munkaközegnek. A napkollektorok típusai lehetnek: szabad nem szelektív köböskollektorok, szabad nem szelektív síkkollektorok, (fedett) nem szelektív síkkollektorok, szelektív síkkollektorok, vákuumos síkkollektorok, vákuumcsöves síkkollektorok. A szabad nem szelektív köböskollektorok valamely feketére festett szabadon álló tárolók, hordók, tartályok, melyek egyben a munkaközeget (legtöbbször a felhasználásra szánt vizet) tárolják is. Hatásfokuk eltérı, de csekély a többi kollektoros rendszerhez mérve, köszönhetıen a szigetelés hiányának és a napsugarak által ért felület és térfogat kedvezıtlen arányainak. Felhasználásuk célja a használt víz komfortérzetének növelése (kerti fürdıvíz, tábori mosdók melegvíz ellátása), létjogosultságát alacsony ára és könnyő kivitelezhetısége jelenti. A szabad nem szelektív síkkollektorok, alapvetıen hasonlóak elızı társaikhoz, azzal a különbséggel, hogy itt külön tároló tartalmazza a felhasználásra szánt munkaközeget és felülettérfogat arányuk jóval kedvezıbb. Elınye, hogy szabadon éri el a napsugárzás az abszorber 14

15 felületét, így itt a legkisebb a reflexió, magas optikai hatásfok jellemzi, azonban hátránya, hogy a környezeti hımérséklet különbségre érzékeny szigetelés hiányában, hatásfoka összességében kicsi, fıleg medence főtésre használják. A (fedett) nem szelektív síkkollektorok az elızıtıl szigetelésükben különböznek, így optikai hatásfokuk a fény útjába kerülı átlátszó fedél (leggyakrabban üveg vagy UV álló polikarbonát) miatt kisebb, de a burkolat szigetelésének köszönhetıen hatásfokuk jobb, kevésbé 6.ábra. Síkkollektorok általános felépítése (FORRÁS: DR MUNKÁCSY BÉLA ENERGIAGAZDÁLKODÁS JEGYZET) 7. ábra. Vákuumcsöves kollektorok szerkezetei (FORRÁS: (BALRA), (JOBBRA) érzékeny a külsı hımérsékletre, azonban szelektív bevonat hiányában kisugárzásuk magasabb a szelektív kollektorokéhoz képest. 15

16 A szelektív síkkollektorok, ahogy azt nevük is mutatja szelektív bevonattal vannak ellátva, ez nagyban csökkenti a kisugárzási veszteséget, anyaga általában réz a jó hıátadás miatt, veszteségét döntıen a konvekció okozza, melyet a szigetelés (általában az üvegfelület) és az abszorber közt fellépı légmozgások okoznak. A vákuumos síkkollektoroknál a konvekcióból adódó veszteséget a burkolatban létrehozott vákuum csökkenti, hátránya lehet a vákuumzáró anyagokból fakadó többletköltség. A vákuumcsöves kollektoroknál a szigetelést az üvegcsövekben létrehozott vákuum biztosítja, így konvekciós veszteségei elhanyagolhatóak, azonban az íves üvegfelületek reflexiója nagyobb mint sík társaiké. Itt alapvetıen két technológia létezik, az egyiknél a csıbe belép az abszorber, abban végig fut, majd a csı azonos vagy ellentétes oldalán kilép ( a munkaközeg kering), a másiknál az abszorber csı vakon végzıdı csı, melyben a munkaközeg elpárolog, az abszorber végén egy hıcserélın kondenzálódik, majd visszacsurog a csı falán,ennél a típusnál a kondenzációnál felszabaduló hıt hasznosítják. Hazánkban kevéssé ismert a koncentráló kollektorok típusa, ezek olyan tükrökbıl, vagy lencsékbıl állnak, melyek a napsugarakat (direkt sugárzást) fókuszálják, ez által nagyobb energiasőrőséget elérve, végsı soron magasabb elérhetı hımérsékletet produkálnak. Itthon ezek 8. ábra. Kétkörös főtés rásegítéses napkollektoros rendszer felépítése (FORRÁS: 16

17 felhasználása a naptőzhelyre korlátozódik,mely egy tükörparabolából áll, aminek a fókuszpontjába helyezett edényben fızni lehet. A napkollektoros rendszerek lehetnek egykörösek, vagy kétkörösek. A mi éghajlatunkon a kétkörös rendszereket használják, mivel télen nem lehet direkt módon a kollektorban keringtetni a vizet, mert az optimális esetben is éjjel (napsugárzás hiányában) megfagyna, tönkre téve a vezetékeket, ezért azokon az éghajlatokon ahol, fagypont alá süllyedhet a hımérséklet, fagyálló munkaközeget keringtetnek a kollektorokban. A két kör (vizes és fagyálló kör) közt a hıátadást hıcserélıvel biztosítják. A kollektorok hatásfokát a következı képen határozhatjuk meg: η = η 0 a * X b * G k * X 2. Itt η 0 zérus hımérséklet különbség melletti optikai hatásfok, a, b méréssel meghatározott állandók, X a hatásfok összefüggés független változója (X=(munkaközeg közepes hımérséklete külsı levegı hımérséklete)/g k ), G k a napkollektor felületére merılegesen érkezı globális napsugárzás (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007.) 9. ábra. Kollektorok hatásfoka (FORRÁS: Fotovillamos rendszerek A napenergia ezen hasznosítása közvetlenül állít elı elektromos áramot, ami vagy hıvillamos (a sugárzást érzékelı) hıelemes, hıionos vagy fotoelektromos alkalmazásokkal történhet. 17

18 A hıvillamos energia-átalakítók A hıvillamos ( termoelektromos ) energiaátalakítók a hıenergiát alakítják át közvetlenül villamos energiává, mőködése a Seebeck-effektuson alapul, miszerint két különbözı anyagú vezetı végeit összeszorítva, az egyik érintkezési pontot melegítve feszültség észlelhetı a két anyag között. A PbTe és PbSe alkalmazásával alacsony hatásfokkal (8-10%) üzemelı hıvillamos energia-átalakítók készíthetık ( ezt a technológiát a hadsereg használja fıleg. Elınyei, hogy felügyelet nélküli üzemeltethetı, nagy megbízhatóság jellemzi, és hosszú élettartamú, egyszerően karbantartható eszközök Hıionos energia-átalakítók A hıionos elektromos áram termelése az Edison-effektussal magyarázható, minek során, ha egy fémet vákuumban felhevítünk, akkor a fémbıl elektronok lépnek ki, mely ezáltal elektronfelhıbe burkolózik. Az elektronok a szembe állított másik, nagy pozitív potenciállal rendelkezı (alacsony hımérséklető) fém irányába indulnak; a légüres téren át a kilépı elektronokkal keletkezı töltés hasznosítása azonban a felületek közti vákuum megteremtésének nehezen megoldható miatt költséges és gyakorlati alkalmazása körülményes. A vákuum kiváltására a legújabb fejlesztések során ( ENECO ) egy félvezetıt alkalmaznak, amely elég vastag ahhoz, hogy az emitter és a kollektor közötti jelentıs hımérséklet-differencia lépjen fel. Az eredmény egy olyan apró energia-átalakító chip, amely 600 Celsius-fokon is mőködıképes, és a forró és a hideg oldalak közti hıenergia-differenciát, a fotovillamos rendszerek viszonylatában jónak mondható 30 %-os hatásfokkal, elektromossággá alakítja. A maradék a hideg oldalt melegíti, és hasznosítás nélkül vész el Fotoelektromos energia-átalakítók A fotoelektromos hatást viszonylag régóta ismert, már 1839-ben Becquerel fel fedezte, alkalmazásuk azonban váratott magára. A fotoelektromos napelemek félvezetıkbıl (szilícium alapanyagúak fıleg) épülnek fel, ezekben a szilícium atomokhoz foszfor atomok kapcsolódnak, melyek egy felesleges elektronnal rendelkeznek így, ezek az úgy nevezett n réteg (negatív oldal) szabad elektronjai. A másik réteg a napelemekben a p réteg (pozitív), ebben a szilícium brómmal alakít ki kötéseket, minek következtében elektronhiányos réteget kapunk. Az így kialakított n-p rétegő szolár cellában fotonok hatására fotofeszültség alakul ki. Az idıben állandó feszültség ( 18

19 fotofeszültség ) annak következtében jön létre, hogy a beesı fotonok többlet töltéshordozókat hoznak létre. E töltéshordozók a kristályban kialakult belsı lokális villamos tér hatására elmozdulnak, ill. felhalmozódnak, így az anyagban tértöltés, ennek hatására pedig fotofeszültség keletkezik. Ezt a feszültséget elektromos körbe kötve, elektromos áram generálható, mely folyamat addig tartható fenn míg fotonok érik az n réteget. A fotoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazása felé vezetı úton meghatározó jelentıségő volt a fotoelektromos ( fényvillamos ) jelenség felfedezése p-n átmenetekben. Ha a fotonok energiája nagyobb, mint ami egy elektron kiszabadításához szükséges, akkor a felesleges energia hıvé alakul. A folyamat bizonyos hımérsékleti tartományban mőködik optimálisan, ezért túl hidegben, vagy (a gyakorlatban gyakrabban) túl melegben a rendszer hatékonysága lecsökken, tehát célszerő ezeket a fotoelektromos eszközöket hőteni. Az elıállított áram egyenáram, mely a kisfogyasztók energiaellátására alkalmas, azonban a hálózatba nem visszatáplálható. A megtermelt egyenáramot inverterek segítségével lehet váltóárammá alakítani. A napelemek hatásfoka akkor a legnagyobb, ha a napsugarak merılegesen érik annak felületét, hasonlóan a kollektorokhoz, tehát a napsugarak beesési szögének a 90 -tól idıben(napszak, évszak) és térben(földrajzi elhelyezkedés, domborzati viszonyok) való eltérése ezeknél az eszközöknél is problémát okoz. A napelemeknek a következı típusait alkalmazzák: monokristályos, polikristályos, amorf technológia. Az amorf napelem rendezetlen szilíciumkristályokból áll, könnyen gyártható, olcsó. Külsıleg egy fekete sávokat tartalmazó, keretezett üveglap. Élettartama, 5-10 év, hatásfoka alacsony, 5-7% körül mozog, ellenben jó ár-érték arányú eszközök. Kimenı feszültsége nem minden esetben igazodik az akkumulátorok voltjához, ehelyett volton mőködik. Szigetüzemő érzékelık, mobil használati tárgyakba építve, hordozható elektromos fogyasztók stb. megtáplálására igen széles körben elterjedt. A polikristályos napelem rendezett szilícium polikristály cellákból áll, melyek sorbapárhuzamosan vannak kapcsolva, külsıleg kékeslila színezetőek. Hatásfokuk 12-14% körül alakul, élettartamuk év, jól illeszkednek a 12 voltos (fıleg szigetüzemben használatos) rendszerekhez, közepes árfekvésőek, így háztartási villamos áram elıállítás céljából vásárolt fotovillamos rendszerek alkotóiként a legelterjedtebb napelemek. A monokristályos napelem modulok hatásfoka 15-18% körüli, monokristály cellákból áll, soros-párhuzamos kapcsolással összekötve. Cellái fekete színőek, külsıleg jól elkülöníthetıek, 19

20 élettartamuk év. Ezek a legdrágább, ám minıségileg kiváló napelemek, néhány változatuk kissé felhıs idıben is jól mőködik. A legújabb kutatásoknak és fejlesztéseknek ( pl.: az amerikai Massachusetts Institute of Technology nanotechnológiai tanszékén) köszönhetıen vékonyfilm technológiával készülnek a jövıben a napelemek, ezek rugalmas, ellenálló, vízzáró polymer fotovillamos fóliák, melyek alkalmasak egész tetık és épületfrontok borítására. Hazánkban napelemekkel kedvezıen betelepíthetı épületfelületek összesen 4051 km², ez 10%-os átlagenergia átalakítás mellett a megtermelt villamos energia tizenkétszerese a Mo évi villamos energia fogyasztásának (PÁLFY MIKLÓS, ENERGIA GAZDÁLKODÁS 45. ÉVF ). 10. ábra. A napelem vázlatos felépítése (FORRÁS: A napenergia felhasználásának korlátai és problémái Tény, hogy a napenergia az ember számár kifogyhatatlan és a szükségesnél jóval nagyobb energiaforrás, kiaknázása azonban technikai problémákat vet fel. A jelenleg létezı alkalmazott rendszerek hatásfoka bár sem 100%-os (és valószínőleg soha nem is lesz az), de ennek ellenére a benne rejlı lehetıségeket, ha teljesen kiaknáznánk, energiaszükségletünk többszörösét tudnánk 20

21 megtermelni, ezért elvben (az energia mennyiségeket összehasonlítva) képesek lennénk a fosszilis energiahordozókat teljesen kiváltani. Miért nem tesszük? Az ok részben anyagi, gazdasági természető, ezekrıl már volt szó (beruházási költségek, támogatási problémák, gazdasági lobi stb.), más részrıl viszont technikai természető. Két fı technikai probléma okoz gondot a napenergia felhasználásában, az egyik a termelési ingadozás, azaz az erıs évszakos és idıjárás függés, a másik a földrajzi elhelyezkedésbıl és domborzati viszonyokból adódik, vagyis a már említett 90 -os beesési szögtıl való eltérés és az optikai légtömeg vastagsága, mely meghatározza a hasznosítható energia mennyiségét. A termelési ingadozás az idıben változó rendelkezésre álló napenergia következménye. Ez egy részt köszönhetı az idıjárásnak, mely közép és rövid távon befolyásoló tényezı, más részt az éghajlati sajátosságoknak, ami hosszabb távon szabja meg a napsugárzás mértékét. Rövid távon pedig az éjjelek és nappalok váltakozása teszi szakaszossá a napsugárzást mint energiaforrást. A megtermelhetı energia tehát egyenletlen, így néha a szükségesnél több, néha pedig kevesebb. Felmerül az igény tehát a pufferelésre és a tárolásra. A legkézenfekvıbb megoldás, a már meglévı elektromos hálózatra termelés, így a hagyományos erımővek termelését kiegészítve, azokkal összehangolva egy hibrid energia ellátó rendszert lehetne létrehozni. A napsugárzás változásait a statikus erımővek pufferelnék, vagyis akkor is lenne áram, ha nem sütne a Nap. Az ilyen rendszerek más megújulókkal kiegészítve (pl.: szélerımővek, melyek éjjel is üzemelhetnek), kellıen alacsonyan tartaná a fosszilis energiahordozók felhasználást. Követendı példa lehet a kétségtelenül jó adottságokkal rendelkezı Dánia, ahol a villamos energia felhasználás akár 80%-át is fedezhetik a megújuló energiaforrások, köszönhetıen leginkább a kiterjedt szélerımő hálózatnak. Ma Magyarországon a kistermelık, azaz a háztartási napelemek és szélkerekek tulajdonosai gyakorlatilag nem tudják visszatermelni a hálózatra a termelt felesleges energiát, jóllehet azt elvben a áramszolgáltató megvásárolná, az ok az energia szektor konzervativizmusa. Hazánk szomszédságában, Ausztriában már megoldott az ilyen jellegő kereskedés a szolgáltató és fogyasztó között, hiszen technikailag kivitelezhetı. A napenergia nehezen tárolható, a természetben egy biológiai energiakonverzió, a fotoszintézis alakítja át kémiai energiává a napenergiát, az ember az elıállított elektromos áramot pedig ugyan csak kémiai energiává alakítja át és tárolja akkumulátorok formájában. Az energiatárolásnak ez igen költséges és elégtelen módja, csak kis fogyasztók vonatkozásában van létjogosultsága. Az energia tárolás egyik legkézenfekvıbb módja, ha helyzeti energiává 21

22 konvertáljuk a napenergiát. Az ilyen típusú energiatárolás nem új kelető, a hagyományos erımővek esetében is alkalmazott módszer lényege, hogy a felesleges energiát a víz magasabban fekvı területekre való jutatatására fordítják, ennél fogva a víz helyzeti energiája megnövekszik. Növekvı fogyasztásnál ezekbıl a tározókból leeresztve a vizet turbinákon át újra elektromos áram nyerhetı. A statikus erımőveknél így kiküszöbölhetıek a fogyasztási ingadozásból fakadó termelés szabályozási problémák. A tároló közeg nem csak víz lehet, gáz halmazállapotú anyagok, leggyakrabban levegı, sőrített formában történt tárolása is megoldást nyújthat az energiatárolásra, az ilyen mechanikai akkumulátorok, lehetnek akár kimerült bányaüregek is ( pl.: USA-ban sóbányákat használnak ilyen céllal). A napsugárzásból származó energia elektromos árammá alakítás nélkül is tárolható. A napkollektorok nyáron sokkal több hıenergiát állítanak elı, mint szükséges lenne, ezt tartályokban meleg víz formájában tárolják, mely így akár napokig biztosít megfelelı meleg víz ellátást. A gond az, hogy a hıenergia tárolása a tárolók és tároló közegek hıvesztesége miatt kis hatásfokú. A tárolás másik lehetséges módja az lehet ha hidrogént elıállításra fordítódik a napsugárzás által megtermelt elektromos áram. A mőködési elv az, hogy az elektromos árammal vízbontásból (elektrolízis), hidrogént és oxigént állítanak elı, a hidrogén tárolása és szállítása hasonló a földgázéhoz. Felhasználása egyszerő és sok analógiát mutat a fosszilis energiahordozókkal, károsanyag-kibocsátás pedig az égetéskor keletkezı vízgıznek köszönhetıen gyakorlatilag elhanyagolható. Jelenleg azonban a hidrogénbıl elıállított energia drága, 20 USA Dollár/GJ szemben a biometanollal, melybıl származó energia 7 USA Dollár/GJ. (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007). A másik említett technikai problémát a napsugarak változó beesési szöge okozza. A beesési szög csökkenésével csökken az egységnyi felületre esı energiamennyiség, vagyis csökken az energiasőrőség. Ez végsı soron alacsonyabb munkaközeg hımérsékletet okoz a napkollektoroknál, vagy teljesítményeséssel jár a napelemes rendszereknél. Ezért a napsugarak útjába állított sík felületeket a lehetı legoptimálisabban kell elhelyezni, hazánkban ez egy télen nyáron mőködı sík napkollektor esetében déli tájolású 42 -os szöget bezáró ferde elhelyezést jelent. A hatásfok akkor lenne a legnagyobb, ha napkeltétıl napnyugtáig a lehetı legnagyobb beesési szöggel érnék a sugarak egész évben a kollektor felületét. Ahhoz, hogy a Nap idıben változó helyzetét, más szóval a napjárást követni lehessen, napkövetı rendszerek telepítése lenne szükséges. A gyakorlat azt mutatja, hogy a lakossági napkollektorok, napkövetés nélkül is képesek megfelelıen tájolva és méretezve biztosítani a szükséges hımennyiséget, így tehát a 22

23 napkövetı rendszerek igénye nem a lakossági, hanem sokkal inkább az ipari felhasználásban kaphat és kap szerepet. Az ipari alkalmazásokban ugyanis gyakorta szükséges az igen magas és lehetıség szerint állandó üzemi hımérséklet, ezeket pedig fókuszáló rendszerekkel biztosítják. A fókuszálás elınye, hogy nagy területre érkezı napenergiát sőrít össze, megnövelve az egységnyi felületre esı energia mennyiségét, hátránya hogy a fókuszpont a Nap járásával idıben változik, ezért a fókuszpontba helyezett munkaközeg csak rövid idıre kerül a fókuszált sugarak útjába. Ezeknél a rendszereknél elengedhetetlen a napkövetés. 3. A napenergia fókuszálása Az elızıekben már említett fókuszáló rendszerek sajátossága a nagy energiasőrőség (E/felületegység dimenzióban) elıállítása. Mivel a Nap felıl az egységnyi felületre beesı napsugárzás energiamennyiségére nem lehetünk hatással kézenfekvı a megoldás, hogy a beérkezı sugarakat győjtsük össze és egy nagyobb energiasőrőségő nyaláb formájában hasznosítsuk. A nagy energiasőrőség elınye, hogy idıegység alatt nagyobb energiamennyiséget tudunk közölni azonos mennyiségő munkaközeggel, szemben a fókuszálást nem alkalmazó rendszerekkel A fókuszáló rendszerek fizikai jellemzıi A fókuszáló rendszerek alapvetıen kétféle képpen győjthetik a napsugarakat: tükör segítségével irányítják a sugarakat egy pontba, vagy győjtılencsék használatával fókuszálják a lencse felületére esı sugarakat. Ez utóbbi kivitelek azt a sugárzási mennyiséget tudják egy pontba győjteni, ami a lencse felületére esik, ha tehát nagy területre esı napsugárzást szeretnénk összegyőjteni ezzel megegyezı nagyságú lencsére van szükségünk. Több száz m 2 -es területrıl történı fókuszálás ilyen módon nem vagy csak nehezen megoldható, ezért nagy energia szükséglet esetén tükrös rendszereket alkalmaznak. A tükrök vagy síktükrök, amelyek dılésszögét úgy választják meg, hogy azok egy azonos szők tartományba tükrözzék vissza a rájuk esı fényt, vagy homorú tükrök, amelyek fókuszpontjukba verik vissza a párhuzamosan érkezı napsugarakat. A síktükröknél a fényvisszaverıdés törvénye alapján a fénysugár beesési szöge megegyezik a visszaverıdés szögével, továbbá a beesı fénysugár és a visszavert fénysugár egy síkban vannak, ez a beesési sík. Beesési pontnak nevezzük azt a pontot, ahol a fénysugár a visszaverı felülettel találkozik. A beesési ponton áthaladó, a visszaverı felületre merıleges 23

24 egyenes a beesési merıleges. A beesési merıleges, és a fénysugár által bezárt szög a beesési szög. A párhuzamosan érkezı fénysugarak azonos síktükrön szabályosan verıdnek vissza, azaz a visszavert fénysugarak is párhuzamosak lesznek, ha azonban a tükrözı felület szabálytalan, a 11. ábra. Visszaverıdés geometriája (FORRÁS: párhuzamosan beesı sugarak eltérı irányban verıdnek vissza, a fénysugarak szóródnak. A síktükrök annál kevésbé szórják a fényt, minél egyenletesebb a foncsorozott felület. A homorú tükrök lehetnek: (fél)gömbtükrök, (fél)hengertükrök vagy parabola(tányér)tükrök. A homorú tükörök, győjtı tükrök. Az optikai tengellyel párhuzamos, és ahhoz közel beesı sugarakat egy pontba (F) egyesítik. 24

25 13. ábra. Parabola (FORRÁS: WIKIPEDIA) 12. ábra. Homrú tükör geometriája (FORRÁS: Legegyszerőbb típusa a gömbtükör, amelynek jellegzetes pontjai a következık: görbületi középpont (C), fókuszpont, (F) optikai középpont (O). A gömbtükör gyújtótávolsága a fókuszpontnak az optikai középpontból mért távolsága, azaz a görbületi sugarának a fele. A hengertükröknél a visszaverıdés a henger forgástengelyével párhuzamosan egy egyenes mentén történik, mely egyenes távolsága az optikai középponttól megegyezik a henger sugarának felével. Ilyen értelemben analógnak tekinthetı a gömbtükörrel. A parabola azon pontok mértani helye a síkban, melyek egyenlı távolságra vannak egy adott ponttól (F fókuszpont, vagy gyújtópont) és 25

26 egy ezen a ponton át nem haladó adott egyenestıl (direktrix), azaz az ábra alapján FP távolság egyenlı PD távolsággal. Ha a párhuzamos fénynyaláb a tengellyel egy irányban vetıdik a parabola alakú tükör felületére, a visszavert sugarak a fókuszpontban találkoznak. Ha megfelelıen nagy a parabola tükör felülete (elegendı energiát tud begyőjteni), akkor a Nap fókuszált sugarai képesek meggyújtani a fókuszba helyezett gyúlékony anyagot, ezért is hívják a fókuszt gyújtópontnak. A napsugárzás direkt (párhuzamos) és szórt (eltérı irányú) sugárzásból tevıdik össze, a fókuszáló rendszerek csak a direkt sugarakat képesek győjteni, mivel a sugárzás ezen része éri párhuzamosan a tükörfelületet. A fókuszált napsugarak útjába helyezett kollektor elnyeli a sugarakat, a napsugárzás energiája hıenergiává konvertálódik. A kollektor felületére esı sugarak egy része elnyelıdik, más részük visszaverıdik. A sugarak visszaverıdése, függ a kollektor reflexiójától és a sugarak beesési szögétıl, minél kisebb reflexiójú bevonata van a kollektornak annál hatékonyabb az elnyelés (pl.: matt fekete). A felületre esı fénysugár azon beesési szöge, mely már teljes mértékben reflektálódik a határszög vagy kritikus szög) A nappálya A fókuszáló homorú tükrök, mint ahogy azt már említettem, saját forgástengelyükkel párhuzamosan beesı direkt sugárzást képesek összegyőjteni. A Nap járásával a párhuzamos sugarak beesési szöge változik, így a Földhöz képest mozdulatlan homorú tükrök tengelyétıl is idıvel eltér, ezért a tükrök napkövetése szükséges a fókuszpontba célzáshoz. Ahhoz, hogy a tükrök mozgása követni tudja a nap vonulását, olyan napkövetı rendszerre van szükség, mely számol a Föld Nap körüli keringésével és bolygónk forgásával. A Föld az óramutató járásával ellentétes, direkt irányú forgással rendelkezik, a teljes fordulatot 23,934 óra alatt teszi meg, forgási sebessége, v t = 465,11 m/s. (A forgási sebesség és a forgási idı szorzata megadja az egyenlítı kerületét: ,02 km, egyenlítıi sugara r = 6378,137 km) A Föld saját tengelye körüli forgás következménye a nappalok és az éjszakák váltakozása. A Nap keletrıl nyugati irányba vonul az égen, mozgásának sebessége a szögsebességgel jellemezhetı (ω = v t /r ). Ha napkelténél a tükör tengelye párhuzamosan áll a nap sugaraival és szögsebességgel forgatni kezdjük az optikai középpontja körül a Nap járásával megegyezı 26

27 irányban, akkor a tükör és a Nap folyamatosan együtt halad, vagyis horizontális síkú mozgásuk összehangolt. A Föld ellipszis alakú pályán kering, kb. egy év alatt (365 nap és 6 óra) járja be a földpályát. Tavaszponttól ıszpontig tartó útját az éggömb északi felén a többit a déli felén teszi meg, az Egyenlítıt pedig évente kétszer metszi. Évi mozgása közben állandóan változik a Nap deklinációja azaz elhajlása (deklináció az Egyenlítıtıl mért szögtávolság). Március 21-dikén deklinációja 0, tavaszpontban van, ez a tavaszi napéjegyenlıség. Ezután a Nap folyamatosan az 14. ábra. Nappálya (FORRÁS: északi pólus irányába vándorol, deklinációja növekszik végül a Ráktérítı felett delel a zenitben, deklinációja + 23,5, ez a nyári napforduló (június 22.). A Nap ezután visszaindul az Egyenlítı felé, deklinációja csökken, szeptember 23-dikán, az ıszi napéjegyenlıségkor éri el deklinációja a 0 -ot. Az év másik felében a Nap a déli félgömb felett jár, deklinációjának abszolútértéke 27

28 növekszik és december 22-én éri el a déli félgömbön maximumát, deklinációja -23,5. A napkövetı rendszereknek ezért nem csak a Nap horizontális vonulását, hanem a vertikális irányú mozgásának változásait is követnie kell a Napnak. Nem lehetséges tehát egy statikus vonulási ívet megszerkeszteni, melyet követve szögsebességgel forgatjuk a tükröket, hiszen a Nap járási magassága napról napra változik. Olyan rendszer kell, ami ezeket naponta korrigálni képes Parabola tükrös fókuszáló berendezés kivitelezése A következıkben egy saját építéső fókuszáló rendszert fogok bemutatni, mely létrehozásakor a technikai kivitelezésen túl, a költséghatékonyság és a nagy teljesítmény, végsı soron magas hımérséklető munkaközeg elıállítása volt a cél A kísérleti berendezés mőködési elve A tervezéskor a fókuszálási módok közül a parabola tányérra esett a választás, ezt leginkább az indokolta, hogy könnyen beszerezhetı. Megfelelı mérető homorú gömbtükör nem állt rendelkezésre, és a parabolához hasonló átmérıjő félgömb tükrözı felülete,technológia hiányában ( pl.: krómozás ), nem volt számomra megoldható. A forgalomban lévı parabola tányérok íve megfelelı ahhoz, hogy kis síktükrökkel mozaikszerően befedhetı legyen. A tányér homorú felülete így kis üvegtükör négyzetekkel van burkolva, ezek jó közelítéssel követik a parabolacsúcson átmenı tengelyő forgástest felületét. Az így létrehozott tükörfelület a parabola fókuszpontjába veri vissza a forgástengellyel párhuzamosan érkezı napsugarakat. A síktükrök használatával a visszavert sugarak nem tökéletesen egy pontba győlnek össze (szabályos háromszög folt), ennek ellenére a gyakorlati alkalmazás során megfelelı minıségőnek tőnı fókuszálást lehet elérni (~1 m 2 tükörfelület mellett ~0,023 m 2 felületre vetülnek a sugarak). A gyújtópontba helyezett kollektor biztosítja az elnyelést. Ez egy vörösréz csıkígyó (a vörösréz jó hıvezetı), amely egy archimédeszi spirálból és egy hengerspirálból áll. Az összegyőjtött napsugarak az egy síkban feltekert (archimédeszi) spirál felszínén nyelıdnek el. Az elnyelt napenergia hıenergiává konvertálódik és átadódik a csıben keringı munkaközegnek. A munkaközeg egy hıközlı olaj, amely keringtetve halad a csıvezetékben. A kollektort elhagyva a felmelegedett olaj egy hıcserélıbe jut, amelyben leadja hıenergiájának egy jelentıs részét. Az 28

29 így nyert hıenergia alkalmazása sokrétő lehet; felhasználható pl.: gızturbina, Stirling-motor, abszorbcióshőtı meghajtására, hıszivattyúk ellátására, légkondicionálásra Mőszaki paraméterek 140 mm 15. ábra. Parabolatükör és kollektor szerkezeti rajza (RAJZOLTA: MILUS ISTVÁN) 16. ábra. Parabolatükör és kollektor képei 29

30 Parabola tükör: 1 mm vastagságú festett fekete nyomott parabola forgástest Ø: 1140 mm 557 db 40*40*3 mm foncsorozott síktükör UV álló színtelen szilikongumi ragasztóval rögzítve merevítés és váz: 20*40 mm horganyzott zártszelvény 3 db Ø: 8 mm hatlapfejő csavarral rögzítve a parabolához 900*20*40 mm zártszelvény kollektort tartókar inox 0,8 mm lemez kollektor rögzítı U profil Kollektor: max Ø: 100 mm archimédeszi bordás spirál vörösréz csı Ø: 6/4 mm, menetszám: 7 max Ø: 80 mm hengerspirál vörösrézcsı Ø: 6/4 mm, menet szám: 9 teljes hossz: 3900 mm felületi bevonat: Jøtul laack matt fekete hıálló festék (max. hıállóság: 800 C) 160mm*15394mm 2 inox 0,8 mm lemez kollektor henger burkolat (külsı) 130mm*7854 mm 2 inox 0,8 mm lemez kollektor henger burkolat (belsı) burkolat szigetelés: 20 mm rockwool hidrofób kızetgyapot 5mm vastag r=70 mm Jøtul hıálló edzett kerámiaüveg 250 C-ig hıstabil szilikongumi tömítı Vezeték: vörösréz csı Ø: 6/4 mm, hossz: 2200 mm sárgaréz roppantógyőrős csatlakozók Ø: 6 mm 2db T idom 2 db ½ /6mm szőkítı 200 C-ig hıstabil szilikongumi csı Ø: 16/5 mm mm csıbilincs 30 mm vastag thermolan üveggyapot csıhéj + alufólia 30

31 Keringtetés: 120 W 1500 RPM háromfázisú kisperemes (B14) elektromotor tengely Ø: 11 mm Galtech 1 ISP P1 fogaskerék-pumpa Q = 1cm 3 /min Fı részegységek A tervezett berendezés öt fı részegységbıl áll: parabolatükör, kollektor, keringtetı pumpa, rendszerfelügyeleti eszközök, forgatómechanika és vázszerkezet. A részegységeket a váz szerkezet fogja össze, ehhez kapcsolható a napkövetést biztosító forgatómechanika Parabolatükör A tükör felületet 557 darab, egyenként 1600 mm 2 területő foncsorozott üveg síktükör képezi. A tükör négyzetek mozaikosan a parabola forgástest homorú oldalára szilikongumi 31

32 ragasztóval vannak rögzítve. Az így kapott homorú tükör valójában síktükrök egy pontba célzó és egyszerre mozgatható együttese, amelynek tartó váza az acéllemezbıl préselt parabolatányér. A tányérra ragasztott tükrök területe összesen 0,8912 m 2, ez azonban a parabola íve miatt nem ezzel azonos felületre esı napsugárzás befogására alkalmas. A parabola forgástest tengelyével párhuzamosan érkezı sugarak energiája a forgástest sugarú körfelületre vonatkoztatható, vagyis r sugár esetén a beesı napsugarak teljesítménye P/A*π*r 2, ahol P/A a napsugárzás egységnyi területre esı teljesítménye (Wh/m 2 ) Kollektor A kollektor két réz spirálból áll, az elsı egy síkban feltekert archimédeszi spirál. Itt nyelıdnek el a fókuszált sugarak. A csıspirál tükör felé esı felületén a csıhátra anyagában hegesztett réz lemez kapcsolódik, amely bordaként fut végig a spirál vonalában. A lemez kitekerve egy elnyújtott trapéz, mely a csıspirált követve egy szabálytalan kúpot hoz létre, ahol a kúp csúcsa a spirál középpontjával egy egyenesre illeszkedik. A kollektor felületét elérı sugarak beesési szöge eltérı, a tükör perifériájáról visszavertek nagyobb beesési szöggel, míg a tükör csúcsához közelebb visszavertek egyre kisebb beesési szöggel érkeznek. 17. ábra. A kollektor alkatrészei szigetelés és festés nélkül 32

33 A beesési szög növekedésével a kollektor felületérıl egyre nagyobb mértékben verıdnek vissza a sugarak, ezért a tükör széle felöl érkezı összetartó sugarakat a trapézlemez nyeli el. A spirálba feltekert lemez szabálytalan kúp formát eredményez, emelkedése illeszkedik a parabola ívéhez, amivel elkerülhetı a lemezbordák kölcsönös kiárnyékolása. A kollektor második spirálja egy henger spirál, amely a kollektor burkolatában csapdázott hısugarak elnyelését hivatott ellátni. Ezen keresztül éri el a keringı munkaközeg az elsı spirált, amelynek vesztesége (a tükörrel ellentétes irányba nézı oldala által kisugárzott hı) elıfőti a hengerspirálban áramló olajt. A kollektorba a munkaközeg a visszatérı vezetéken keresztül érkezik, áthalad a hengerspirálon, majd a bordás spirálon keresztül az elıremenı vezetéken távozik és halad a hıcserélı felé. A kollektor konvekciós és kisugárzási veszteségeit a burkolat csökkenti, amely egy dupla falú egyik végén mindkét végén zárt rozsdamentes acéllemez henger. A henger falai közt nagy testsőrőségő kızetgyapot szigeteléssel van megtöltve, így a falak közt létrejövı légmozgás gátolt. A rozsdamentes burkolat kollektor felé esı falai hıtükörként funkcionálnak, melyek a kisugárzást csökkentik. A belsı fal külsı felülete matt fekete hıálló festékkel bevont, hogy a felmelegedı szigetelés ilyen irányú kisugárzását elnyeljék. A kollektort a tükör felöl hıálló sík kerámiaüveg lap fedi, mely a fókuszált sugarakat beereszti, de a konvekciót csökkenti. A kollektor ház ellentétes vége zárt és kızetgyapottal szigetelt, ezeket áttörve két furaton jut be és hagyja el a burkolatot a rézcsıvezeték Keringtetı pumpa A munkaközeg keringtetését fogaskerék pumpa végzi, melynek erıforrása egy 120 W teljesítményő 1400 RPM fordulatszámú háromfázisú kisperemes elektromos motor. A motor és pumpa kapcsolódását egy áttételnélküli gumibetétes tengelykapcsoló biztosítja, a pumpa és a motor tengelyét a tengelykapcsoló ház rögzíti közös forgástengely mentén. A tengelykapcsoló ház a motor peremén csavarokkal, a pumpa pedig (szintén csavarokkal) a házhoz van rögzítve. A motor, a tengelykapcsoló és a pumpa így egy egységet képezve a motoron keresztül van a parabola tükör hátoldalán rögzítve. A fogaskerékpumpa használatát a magas hımérséklet indokolta, mivel az ilyen pumpák esetén a folyadékszállítás a kapcsolódó fém fogaskerekek közt történik meg és az áthaladó forró olaj nem tesz kárt a szerkezetben (pl.: a membrános pumpák gumi vagy mőanyag membránja nem hıálló). A pumpa szívócsonkján érkezik be az olaj,majd a fogaskerekek közt átpréselve a nyomócsonkon távozik. A nyomócsonkhoz kapcsolódó 33

34 18. ábra. Elektromotor és a fogaskerékpumpa tengelykapcsolóval csıvezetéknél fontos kritérium (zárt vagy nyílt keringtetés mellett egyaránt), hogy a keletkezı nagy nyomásnak (maximális nyomás 320 bar) ellenálló legyen mind a vezeték, mind pedig a csatlakoztatás. A nyomócsonkhoz csatlakoztatott réz csıvezetéket (kollektor visszatérı vezetéke) sárgaréz roppantógyőrős hollandi rögzíti, mely önmagában záró, egyéb tömítést nem igényel. A szívócsonkhoz vastag falú, 180 C-ig hıstabil szilikongumi csövön érkezik az olaj, amely a rugalmas kapcsolódást biztosítja a tükörhöz képest statikus hıcserélıvel. A keringtetés lehet nyílt vagy zárt rendszerő is. Zárt rendszer esetén a hımérséklet emelkedésbıl fakadó térfogatnövekedés elhanyagolható, a hıközlıolaj alacsony gıznyomású munkaközeg Rendszerfelügyeleti eszközök Ezen eszközök figyelik és mérik a munkaközeg hımérsékletét és szükség szerint (pl.: túlmelegedés) leállítják a napkövetést, illetve ki- és bekapcsolhatják a keringtetést. Az érzékelık az elıremenı és a visszatérı vezetékben vannak elhelyezve a kollektorhoz közel. A hımérséklet emelkedésével a huzalos platina hımérséklet érzékelı ellenállása változik, ami a hozzá kapcsolt elektromos hımérıben feszültségváltozást eredményez. A feszültség ingadozásokat egy több csatornás USB-adat rekorder rögzítheti a számítógépen. A tervezett számítógépes vezérlés 34

35 19. ábra. Huzalos platinahımérséklet érzékelı (FORRÁS: túlmelegedés esetén elforgatja a parabolát (kapcsolja a forgatómechanikát), az olaj lehőlésekor (direkt sugárzás hiányában) leállítja a szivattyút Forgató mechanika és vázszerkezet A vázszerkezet merevíti ki és fogja össze a részegységeket. A parabolatükör merevítéséért a hátoldalára szerelt T zártszelvény váz felel, ez csavarokkal rögzül a lemeztányérhoz. A T szára egy pontban meghajtott, így követi a parabola domború ívét, alján csavarral rögzül a kollektortartó kar. A kar a tükör fókuszpontjában tartja a kollektort, amely a külsı burkolatára ponthegesztett szárnyakkal kapcsolódik a karhoz. Ez változtatható helyzető, így a fókusz pont +/- 50 mm-es intervallumban állítható a parabola forgástest tengelye mentén. A T zártszelvényhez kapcsolódik a parabola hátoldalán a motor és a pumpa, melyek felfüggesztése egy hajlított lemez bilinccsel van megoldva (így ez is állítható szükség szerint). A tervezett forgatómechanika a T zártszelvény szárhoz kapcsolható két pontban. A forgatómechanikának horizontális és vertikális irányú mozgatást kell végeznie, így a Nap vonulása követhetı lesz. A parabola horizontális elfordításáért a tervek szerint egy léptetımotor felel majd, mely a Föld forgásának szögsebességével mozgatja a tükröt, így folyamatosan a Nap irányába néz. A Vertikális irányú mozgásért egy másik léptetı motor felel majd, amely vagy egy elıre megszerkesztett nappálya 35

36 alapján korrigálja a tükör dılését, vagy fényérzékelık segítségével keresi meg a legoptimálisabb beesési szöget. A forgatómechanika kivitelezése még folyamatban van, a megfelelı helyzet beállítása jelenleg manuálisan történik Mérés leírás és költségkalkuláció A kivitelezés és összeszerelés során végzett mérések nem teljesek, egyenlıre sajnos csak kevés adat áll rendelkezésre. A berendezés tesztelését megnehezítette, hogy nem állt rendelkezésre megfelelı hımérséklet érzékelı, illetve az anyagi lehetıségek nem tették elérhetıvé beszerzésüket. Ezért is döntöttünk úgy, hogy saját hımérséklet érzékelıket készítünk. (Itt kell megemlítenem, hogy a fókuszálási kísérletemhez kapcsolódik egy másik kísérlet, melyet Kiss Péter szakdolgozó társam végzett. Ez a kísérlet egy abszorbciós hőtı alternatív meghajtását vizsgálja, melyre az elızetes tervek szerint a fent leírt fókuszáló napkollektor is alkalmas lehet. A berendezés létrehozásakor mind a lehetséges, mind pedig a konkrét felhasználási célokat is figyelembe kellett venni, ezért a tervezés és kivitelezés több ponton is közös munka eredménye.) A teszt mérések célja a mőködıképesség és a megfelelı mőszaki méretezés megállapítása volt. A technológiai hatékonyság pontos megállapítása egyenlıre várat magára, köszönhetıen az idıjárási körülményeknek (napsütés hiányában) nem sikerült megfelelı mennyiségő adatot győjteni, ezért a tesztelés során reflektorok segítségével végeztük a méréseket Technológiai hatékonyság Közelítı mérések: 1. A parabola fókuszpont-területének megállapítása Helye, ideje: Solymár, Mérés célja: a parabolatükör fókuszpont-területének megállapítása. Mérés menete: a parabolatükröt a direkt napsugárzással szembe állítjuk be, majd egy A5-ös papírlapot helyezünk az összegyőjtött fénysugarak útjába. A papíron láthatóvá válik a fókuszpont erıs fény formájában. Eredmény: R = 56 cm sugarú körfelületrıl (A = 0,985 m 2 ) r = 7,5 cm sugarú körfelületre (gyakorlatba a sík tükrök okozta eltérés miatt ez egy szabálytalan folt, amit a számítási 36

37 egyszerősítés miatt körnek veszek) fókuszálódnak a napsugarak. A papír erıs napsütés mellett kb. 5 másodperc alatt meggyullad, ha a legnagyobb energiasőrőségő pontban tartjuk, melynek síkját a papíron megjelenı legkisebb felülető fényfolt jelez. 2. Papír gyújtópont kísérlet Helye, ideje: Solymár, Mérés célja: Ismert tömegő papír meggyulladási idejének meghatározása Mőszerek: higanyos hımérı Mérés menete: 0,023 m 2, 80g/ m 2 -es papírlapnak megfelelı tömegő papírtömböt helyezünk a gyújtópontba, melynek ismerjük a kezdeti hımérsékletét (t 1 ), majd megmérjük a gyulladáspont eléréséhez szükséges idıt. Eredmény: 3 másodperc alatt meggyullad a papírtömb, ez alapján az m = 1,84g tömegő papír meggyújtásához m*c*(t 2 -t 1 ) energia szükséges, ahol c = 2,805 kj/kg C a papír fajhıje, t 2 = 250 C a papír gyulladáspontja. Azaz 0,00184 kg*2,805 kj/kg C*(250 C -25 C)= 1,16127 kj, ami megfelel 0,3225 Wh-nak. 1,16 kj/3 sec = 0,3866 kw Tehát a kisugárzási, visszaverıdési és konvekciós veszteségeken túl nem egész 387 W teljesítmény adott le a tükör a papírtömbnek. A kapott eredmény azonban nem pontos, csak irányadó, mivel a papír gyulladásakor maga is hıt termel, ezért a teljes tömb elégéséhez szükséges energiát a nap és az égés által felszabadított energia fedezi együttesen. 3. A pumpa szállítási sebességének mérése Helye, ideje: Budapest, ELTE Atomfizikai tanszék labor, Mérés célja: a keringtetı pumpa szállítási sebességének megmérése Mőszerek, eszközök: keringtetı pumpa, olaj, 2 db 1,5 dm 3 -es mérıedény Mérés menete: A pumpa szívócsonkját az olajjal telt edénybe helyeztük úgy, hogy az 1 dm 3 olaj térfogatot képes legyen felszívni, a nyomócsonkhoz pedig a másik mérıedényt helyeztük el, majd a pumpa üzemeltetése mellett megmértük, hogy mennyi idı alatt áramoltatja át az ismert tömegő 37

38 olaj teljes térfogatát a pumpa. A pumpát elızıleg feltöltöttük olajjal, így csak a nettó olajmozgást vizsgáltuk. Eredmény: 1,5 dm 3 /min szállítási sebesség, azaz 1500 RPM fordulatszám mellett ez fordulatonként 1 cm 3 térfogatáramot jelent. Szimulációs mérések: (melyek a rendszer mőködıképességének vizsgálatára irányultak laborkörülmények között) 4. A kollektor részegység hıátadásának mérése reflektoros megvilágításnál Helye, ideje: Budapest, ELTE Atomfizikai tanszék labor, Mérés célja: napfény hiányában napkollektor hıátadásának mérése reflektoros megvilágítás mellett. Mőszerek, eszközök: 1000 W-os reflektor, digitális hımérı mely a fókuszált napsugárzást helyettesíti, majd ismert V térfogatú hıközlıolajat keringtetünk át rajta. A vezetékek nincsenek szigetelve. 20. ábra. Reflektoros mérés 38

39 1.Eredmény: hımérséklet idı (min) ( C) ,5 79,5 1 83,5 1, ,5 92, , ,5 4,5 103 hımérséklet idı (min) ( C) , ,5 112, , , ,5 9, A rendszer elımelegítése miatt a mérést T kiindulási = 75 C kezdıhımérséklettel indítottuk. Az olaj legmagasabb hımérséklete T maximum = 124 C. c = 2,6 kj/kg C, hıközlıolaj átlagos fajhıje 15 és 200 C között ρ = 0,89 g/cm 3, hıközlıolaj átlagos sőrősége 15 és 200 C között V = 0,2 dm 3 Q = c*ρ*v*(t maximum - T kiindulási ) ahol Q az olaj felmelegítésére fordítódott energia Q 1 = 22,677 kj = 6,299 Wh 39

40 2. Eredmény: A vezetékek alufóliás-üveggyapotos szigetelését követıen. idı (min) hımérséklet ( C) idı (min) hımérséklet ( C) , idı (min) hımérséklet ( C) V = 0,5 dm 3 Q = c*ρ*v*( T maximum - T kiindulási ) alapján Q 2 = 114,543 kj = 31,8175 Wh 40

41 5. Hatásfok: A besugárzásra használt energia E ö = 1000 Wh. Az olaj hımérséklet emelkedésére fordítódott energia Q = 31, 8175 Wh. E ö - Q = E veszteség E veszteség az az energia mennyiség, mely a felhasználási cél szempontjából haszontalan, azaz nem az olaj melegítésére fordítódik, tehát veszteség. Az energiaveszteség a következı összetevıkre bontható: E ö E kisugárzott E konvekciós E elsugárzott = Q E kisugárzott, az az energia, amit a reflektorok nem a kollektor irányába adnak le (reflektorház hısugárzása), és a melegedı kollektor kisugároz (a környezetüknél melegebb testek kisugárzása). A hımérsékletváltozás idı függvényében csökkenı tendenciát mutat, ennek oka, hogy az egyre magasabb hımérséklető test és a változatlan környezeti hımérséklet hımérsékletkülönbsége egyre nı, a testek által az alacsonyabb hımérséklető környezet felé leadott hısugárzás mennyisége a test abszolút hımérsékletének negyedik hatványával arányos (Stefan Boltzmann féle sugárzási törvény). E konvekciós, az az energia, amit a reflektor, kollektor burkolat, és a csıvezetékek körül beinduló légáramlások elvonnak a rendszertıl, azaz hőtik azt. E elsugárzott, az az energia, amit a reflektorok elsugároznak a kollektor mellett, ezzel analóg jelenség a parabolatükör tökéletlen fókuszálásából fakadó nem pontszerő fókuszálás. A reflektorok esetén a kollektor irányába sugárzó felület 18 cm*20 cm = 360 cm 2. A kollektor besugárzott felülete r = 5 cm sugarú kör, azaz 78,53 cm 2, ami 78,53/360*100 = 21,81 %-ának felel meg a reflektor kollektor felé sugárzó felületének, tehát csak 21,81 % hasznosulhat potenciálisan a reflektor megvilágításából a kollektorban. Az olaj melegítésének hatásfoka a következıképpen fejezhetı ki: η * E ö = Q, ahol η a hatásfoki együttható 41

42 A veszteségek faktorokkal számolhatóak, így η = 1-V 1 -V 2 -V 3 - stb. ahol V a veszteségi faktor Jelen mérésnél a legszembetőnıbb veszteség a reflektor elsugárzásából fakad, így E ö *0, Wh Tehát potenciálisan 218 Wh energia tud az olaj melegítésére fordítódni, és ha eltekintünk a fent felsorolt többi veszteségtıl, mely pl.: a reflektor hıleadásából fakad, akkor 31,8175/218*100 = 14,59 %-os hatásfokkal mőködik a kollektor. (Megjegyzés: nagyságrendileg hasonlóan rossz geometriájú fókuszálás várható a síktükrökbıl fakadóan, tehát a valóban homorú tükrök használata lényegi hatásfok-növekedést eredményezhet) Kivitelezési költségek A hatékony mőködés mellett fontos volt, hogy minél olcsóbban lehessen kivitelezni a rendszert ugyanis a megújuló energiaforrások terjedését mai napig bekerülési áruk határozza meg, hiszen az energiaforrás ingyen van. A sajátkészítéső fókuszáló parabola megépítésénél az alkatrészeket és felhasznált anyagokat beszerzés szerint három csoportba lehet sorolni: vásárolt anyagok, hulladék és szponzori támogatásból származóak. forrás megnevezés bruttóár (Ft) hulladék anyagok parabolatányér és merevítıváz ~ fogaskerékpumpa ~ síktükrök ~ hıálló üveglap ~1500- vásárolt anyagok elektromotor(1db) csatakozók szilikon csı (2fm) elektronikai építıanyagok

43 szponzori felajánlások festékek ~2500- tömítıanyagok ~1000- szigetelıanyagok ~3000- tengelykapcsoló ~7000- rozsdamentes burkolat ~4000- rézcsı (5fm) ~3500- összesen ~ A fenti adatok természetesen csak irányadóak és csupán viszonyítási alapnak közlöm ıket. A költségek nem tartalmazzák a munkadíjakat (pl.:üveges munkák, lakatos munkák stb.), továbbá nem tartalmazza a tervezett forgatómechanikát. A napkövetı rendszerrel a berendezés várható végleges költsége kb.: Ft körül lesz, ami nagyságrendileg hasonló árfekvéső a forgalomban lévı más napkollektoros rendszerekkel A Fókuszáló rendszerek felhasználási lehetıségei Abszorbciós hőtés A fókuszált napenergia egyik lehetséges felhasználása az abszorbciós hőtıgép. Az általunk épített fókuszáló rendszer a kollektorral együtt alkalmas arra, hogy egy ilyen hőtı melegpontját melegítse. Ezért egy abszorbciós hőtıhöz kapcsoltuk a fentebb leírt napenergia átalakító rendszert. Munkánk ezen részét Kiss Péter szakdolgozatában fejtette ki, itt csak röviden összefoglalom az abszorbciós hőtés alapjait. A felhasználható esetben a napkollektor hıátadó közege 230 C-nál magasabb kell legyen. Az általunk elıállított berendezésben végül is csak 143 C-ra emelkedett fel az olaj, és hőtési felhasználást nem sikerült elérni. Ennek oka a szigetelésekben és a csıvezetékek paramétereiben keresendı elsı sorban. Az abszorbciós hőtıgépek nem terjedtek el a mindennapokban, de már a múlt század eleje óta ismerjük ıket. A kis népszerőségének oka az, hogy lassan indul be, és a benne keringı ammónium káros, valamint több áramot fogyaszt, mint a kompressziós. Elınye azonban, hogy nem zajos, és napjainkban a napenergia egyik felhasználási lehetıségét nyújtja. A technikai 43

44 fejlıdés a kevésbé piacképes abszorbciós hőtı esetén lassabb volt, így a lemaradás csak csökkent, bár napjainkban a hőtıfolyadékként már nem ammóniát használnak. A hőtıben zajló folyamatok: 1. A hideg ammónia vizes oldatból melegítés útján kiőzzük az ammóniát melegítéssel, majd egy másik ponton lecsapatjuk, kondenzáljuk. 2. A folyadékot egy fojtó szelepen át egy elpárologtatóba juttatjuk, ahol elveszi a hıt a hőtıtértıl. 3. A folyadék a melegfelvétel következtében elpárolog. Az elpárologtatóban keletkezett gız tartalmazza a hőtendı közegtıl elvont meleget, amelyet a hőtıvíznek kell átadni. Hogy ez lehetséges legyen, az abszorbert fel kell melegíteni a hőtıvíz hıfoka fölé. A felmelegítést - mint jeleztük, - nem kompresszióval, hanem úgy végezzük, hogy az abszorbert oldatba visszük és az oldatot egy kazánba tápláljuk. Az abszorber gız tehát elsısorban az oldó edénybe vezettetik, ahol ez a desztillátorból ide vezetett abszorberben szegény oldattal találkozik, és gazdag oldatot képez. Az oldóban levı oldatot erısen hőteni kell, hogy az oldásnál keletkezı meleg elvezetésével hidegebb, vagyis koncentráltabb (abszorberben gazdagabb) oldatot kapjunk. A hőtést rendszerint hőtıvízzel végeztetjük. Az oldatnak a desztillátorba való visszatáplálására külön szivattyú szolgál. 44

45 Naperımővek A napteknı. 21. ábra A napteknı ( A napenergia nem koncentrált energia. Ha erımővet akarunk létrehozni teljesítményének eléréséhez nagy területrıl kell begyőjteni a napsugárzás energiáját. Ez a fókuszálás egyik legfontosabb felhasználása. Az ilyen berendezések kiterjedt építkezéseket, precíz technológiák nagy tömegő megvalósítását jelenti. A napelemek kis hatásfoka és a szilícium drága gyárthatósága miatt az erımővi napenergia-felhasználás a napsugarak energiáját leggyakrabban elıször hıvé alakítja, de léteznek napelemes rendszerek is. Már maga az a tény is meglepı, hogy léteznek naperımővek, de a tiszta levegıjő, leginkább napsütötte helyeken (például sivatagban) ez gazdaságos lehet. Napelemekbıl álló legnagyobb mai erımő a Mülhausenben lévı 6,3 MW maximális teljesítményő telep, amely évente 6,75 GWh energiát termel, ami 770 kw átlagteljesítményt jelent. A termikus naperımővek elsı típusa a napteknı. Ez a napenergiát egy hosszú vályúhoz hasonlító tükörrendszerrel fókuszálja, melynek keresztmetszete parabola alakú, egy szelektív bevonatú, vákuumos csırendszerre, melyben a keringı folyadékot jelentısen fel tudja melegíteni. Ez a rendszer egy hıtartályt melegít, amibıl az energiát többféle módon is ki lehet venni. Egyszerő esetben gızgépet hajtanak meg, vagy Stirling-motort alkalmaznak. 45

46 A napkémény. 22. ábra A napkémény ( A napkémény energiaátalakítási képessége az üvegházhatáshoz hasonló hatáson alapul. Egy több száz méter sugarú területen a felszín feletti néhány méter magas levegıt üvegfedéllel zárjuk le. A felszín által kibocsátott hosszú hullámú elektromágneses sugárzást ez visszaveri, de a fentrıl jövı napsugarakat átengedi. A fedél alatti levegı jelentısen felmelegszik és kitágul, ezért a középen lévı kéménybe áramlik, és ott a nagy területrıl összegyőlt meleg levegı gyorsan áramlik felfelé - ez lényegében mesterséges szél. A kéménybe hagyományos szélturbinákat helyezve, azok villamos energiát állítanak elı. Ausztráliában nemrégiben elfogadott projekt szerint New South Wales-ben épül meg az elsı ilyen kémény, amely több mint 1000 méter magasságával az ember által épített legmagasabb épület lehet. A projekt elıkészítéseként egy 50 kw-os napkémény üzemelt ( ig) a spanyol Manzanaresben. A napfarm. A napfarm egy torony tetejére helyezett hıerımő, amit nem elégetett fosszilis üzemagyaggal főtenek, hanem odafókuszált napenergiával. A kaliforniai Barstow-ban 1999-ben fejezték be a Sun II. projektet, amely egy 10 MW-os, energiaelnyelı folyadékként olvadt sót felhasználó napfarm+torony kísérleti üzemeltetése volt. A projekt alapján tervezik a lakossági energiatermelésre is használható jövıbeni erımőveket. A torony környezetében több száz méter sugarú körben motorral állítható pozíciójú tükrök fókuszálják a napenergiát a torony tetején lévı olvadt sóra. Ez is csak sivatagos területen mőködıképes gondolat, mert a tiszta, száraz levegı nem nyeli el a 100 méterrıl tükrözött sugarakat. 46