10. Napelemes (fotoelektromos) rendszerek Bevezető gondolat A legtöbb különálló épületen (és társasházon is) elég hely található a lakók éves áramigényét kielégítő napelemek felszereléséhez Időtartam 3 óra Évszak Bármikor Hely Osztályterem Szükséges anyagok Jegyzetfüzet, toll, számítógép-internet (vagy előre kigyűjtött adatok) Tantárgyak Fizika vagy Kémia vagy Technika, Földrajz, Társadalomismeret (vagy Osztályfőnöki óra) Cél Megismertetni a tanulókkal a napenergia segítségével történő áramtermelés lehetőségeit, bemutatni annak előnyeit-hátrányait Módszerek Előadás, Beszélgetés, adatelemzés, tanulói kiselőadás Bevezetés A napelemeket használó fotoelektromos eljárással a napfény közvetlenül is elektromossággá alakítható. Mivel a napfény egyenletesen oszlik el, potenciálisan minden épület képes arra, hogy helyben termeljen belőle elektromos áramot. A napkollektroros vízmelegítéshez (6. fejezet) hasonlóan a megfelelő tájolású tető a legalkalmasabb hely a napelemek felszerelésére. A közvetlenül a napfényből létrehozott elektromosság gyakorlatilag bárhol elérhető és a technológia fejlődésével, valamint a hagyományos források (pl. a fosszilis tüzelőanyagok) révén előállított energia drágulásával egyre költséghatékonyabbá válik. A jövőben a fosszilis tüzelőanyag források kimerülésével a szélenergia mellett ez a megújuló energiaforrás válhat az áramfejlesztés meghatározó forrásává. A földrajzi szélesség és az éghajlati feltételek határozzák meg az évi napsütéses órák számát és az (kwh/m²-ben mért) éves sugárzást. A vízszintes felszínre érkező éves sugárzás a földrajzi szélességgel csökken. Ugyanakkor minden európai országban elegendő napsugárzás áll rendelkezésre ahhoz, hogy fotoelektromos rendszerekkel a háztartások által igényelt elektromosság zömét vagy egészét előállítsák. Ez még azokban az északi országokban is így van, amelyeket kevesebb napsütés ér! Ami azt illeti, sok észak-európai országban a fotoelektromos energia kihasználtsága fejlettebb, mint Dél-Európa országaiban. Hollandiában, Németországban és más szomszédos északi országokban a napelemek használata széles körben elterjedt és a politikai akaratnak köszönhetően gyors a fejlődés. Ezekben az országokban az antinukleáris mozgalom, a nagyfokú iparosítás által okozott problémák és a nagyobb népsűrűség igen erős környezettudathoz vezettek. Ezen országok lakosai régóta követelik a megújuló energiák használatát. Az emberek nyomásgyakorlása jelentős politikai hatással járt, és bizonyos közösségekben a politikai követelmények ma már magasabbak, mint az állampolgároké. Kémiai-fizikai háttérinformációk Az elektronok olyan atomi részecskék, amelyek két másik részecskét, egy protont és egy neutront tartalmazó atommag közelében forognak. Az elektron negatív, a proton pozitív töltésű, a neutron pedig nem rendelkezik töltéssel. Mivel az ellentétes töltetű részecskék vonzzák egymást, az elektron ahhoz az atommaghoz kötődik, amely körül kering. A vezetőképes anyagokban elektromos tér alkalmazása révén az elektronok könnyen elmozdíthatók pályájukról, amelyek így elektromos áramot alkotnak. A fotoelektromos hatás egy olyan fizikai jelenség, amely kizárólag a félvezető anyagokban lép fel. Amikor fotonnak nevezett fényrészecskék érik az ilyen anyagok felszínét, átadják energiájukat az anyag elektronjainak, s ezzel elmozdítják őket a pályájukról. Amennyiben a félvezetőt felszínét megfelelő anyagokkal vonják be, az az elektronokat a felszínhez vonzza, és az elektromos áram alapját képező elektromos töltés keletkezik. A nap sugárzó energiája így átalakul elektromos energiává. A fotoelektromos hatás amelyet Edmond Becquerel fedezett fel 1839-ben közvetlenül, mozgó mechanikus alkatrészek és zaj nélkül generál áramot. KITH handbook for schools 1
Műszaki-technikai háttérinformációk A napelemek nyersanyaga a szilícium, amely kovából, a homok fő alkotórészéből áll. Az elektronikai iparból származó szilícium-hulladékot visszanyerik, egy magas hőmérsékletű tisztító eljárással újraolvasztják és napelemek készítésére használják. A nagyon tiszta szilícium-kristályokat (vagy amorf szilíciumot) vékony, mintegy 300 µm-es szeletekre vágják. Egy-egy elem nagyon kis mennyiségű elektromosságot generál. Ahhoz, hogy erősebb elektromos áramot kapjunk és növeljük a kimenő teljesítményt, az elemeket összekapcsolják, amelyek így nagy fotoelektromos paneleket vagy modulokat hoznak létre, ezek azok, amiket a köznyelv napelemnek ismer. Mivel az elemek rendkívül vékonyak és törékenyek, átlátszó, szilárd üveglap és egy időjárásnak ellenálló doboz védi őket. A modulok általában téglalap alakúak és néhány centiméter vastagok. A modulok építési anyagokba (csempébe, palába vagy átlátszó keretekbe) integrálhatóak. 10.1. ábra: A napelem rendszer elemei Forrás: http://www.xsany.hu/napzell.html KITH handbook for schools 2
10.1. feladat: A fotoelektromos ház Megjegyzések tanárok számára: Független rendszerek Abban az esetben, ha egy lakóépület nem csatlakozik az országos hálózathoz, azokban az időszakokban, amikor a termelt villamos energia mennyisége meghaladja az igényeket, el kell raktározni az elektromos áramot. Ennek legelterjedtebb formáját az akkumulátorok jelentik, mivel ezek hosszú időszakokra képesek az elektromosság tárolására Ezen fotoelektromos rendszerek autonómiája lehetővé teszi az elektromos hálózat kibővítésével járó munka megtakarítását. A hegyi üdülők, elszigetelt épületek, tanyák, telekommunikációs állomások, vízszivattyúk és óvóhelyek egyaránt el lehetn(én)ek látva fotoelektromos rendszerekkel. Hálózathoz csatlakozó rendszerek Egy villamoshálózathoz csatlakozó fotoelektromos tető lényegében kisméretű villamos erőmű, amely a felhasználás helyéhez a lehető legközelebb található. Nincs szükség az elektromosság tárolására, mivel minden felesleg visszatáplálható a hálózatba, hogy más lakások használhassák. Így az elektromosság adhatóvá és vehetővé válik. A helyben történő, nem környezetszennyező áramtermelés kielégíti az egyéni és lehetőség szerint a közösségi szükségletet is. A feladatban fotoelektromos ház -nak nevezett épület tehát a villamoshálózathoz csatlakozó fotoelektromos rendszerrel rendelkezik. Nincs szükség akkumulátorokra az elektromosság tárolásához, mivel az mindig elérhető a hálózat révén, még akkor is, amikor a nap nem süt és a napelemek nem termelnek energiát. A napelemek által termelt elektromosságot mérőórák mérik, és a hálózatnak adják tovább. Egy másik óra a hálózatról felvett elektromosságot méri. Cél: Bemutatni a különbséget az önálló és a hálózathoz csatlakoztatott rendszerek között. Segédanyagok: Az alábbi munkalap fénymásolatai, toll. Kulcsszavak: hálózat, rákapcsolódás, mérőóra, áramfeltöltés (hálózatra) Készségek: logika, elemzés, memória Tantárgyak: technika, fizika Korosztály: 12-14; Időigény: 10 perc. KITH handbook for schools 3
10.1. feladatlap: A fotoelektromos ház A fotoelektromos ház 1. Tanárotokkal közösen beszéljétek meg, hogy napelemek használata esetén mit jelenthetnek a független rendszer és a hálózathoz csatlakozó rendszer fogalmak! 2. Döntsétek el, hogy az alábbi ábrán szereplő épület ezek közül melyik kategóriába tartozhat! 3. Írjátok be a munkalap megfelelő helyére a következő egységek neveit: fotoelektromos panelek, inverter (átalakító), termelt elektromosságot mérő óra, hálózati óra, a hálózat, elektromos készülékek és neveik (lámpa, porszívó, mosógép, TV) 4. Közösen soroljátok fel mik lehetnek az egyik illetve a másik rendszer előnyei illetve hátrányai!! Magyarázat: PV = napelem (fotoelektromos elem) MVM = Magyar Villamos Művek KITH handbook for schools 4
10.2 feladat: A napenergia hasznosítása Megjegyzések tanárok számára Háttér: A különböző napenergia hasznosító berendezések közötti különbségek sokak számára nem egyértelműek. A jelentős különbségek miatt fontos ezek hangsúlyozása; felépítésének, üzemelésének párhuzamba állítása és ezáltal az eltérések tisztázása. A működés pontos megismerése elengedhetetlen a későbbi tudatos használathoz. A saját otthonunkban megtehető beruházások megismerése segít tudatosítani az energiaforrás választás felelősségét is. Erre megfelelő módszer a tanulói kiselőadás lehet, ahol egy diák a napkollektorokból egy pedig a napelemekből készül fel. A diákok ezután sematikus plakátokon csoportokban ábrázolják a kétféle hasznosítási lehetőséget! A feladat befejezéseként fontos az előnyök és hátrányok közös megbeszélése is. A napenergia hasznosítása számos előnnyel jár: A technológia szinte bárhol használható, mivel a napfény mindenhol rendelkezésre áll. A méret könnyűszerrel a szükségletekhez és az elérhető erőforrásokhoz igazítható. Működés közben nincs szennyezés. Nincs gázkibocsátás, hulladék és fizikai balesetek kockázata sem áll fenn. Nagyon kevés karbantartásra vagy javításra van szükség, mivel nincsenek mozgó részek. Áramtermelés esetén berendezés majdnem mindig a fogyasztás helyéhez közel installálható és így elkerülhetőek az elosztás és szállítás során felmerülő veszteségek. Az elektromosság helyben történő termelése ösztönzi az autonómiát, a közösségi szolidaritást és a decentralizációt. A termelt elektromosságot a szolgáltatók jelenleg kötelesek meghatározott, kedvező áron átvenni, ami egyfajta támogatási konstrukciónak is tekinthető. A hátrányok: Az épület teteje nem mindig helyes tájolású, azaz nem dél felé néz. A technológia jelenleg nagyon drága, jelenleg támogatás nélkül az átlagos háztartások számára nem elérhető. De a költségek folyamatosan csökkennek. Vizuális hatás: a napelemek és a napkollektorok is megjelennek a háztetőkön. Jelentősebb környezeti hatások kapcsolhatók a napelemek gyártásához, ám ez a hulladék anyagok újrahasznosításával minimalizálható. Cél: Megmutatni, hogyan lehet hasznosítani a napenergiát. Segédanyagok: papír és toll, rajzlap, képek, ábrák Kulcsszavak: napkollektor, napelem, megújuló energiaforrások. Készségek: adatgyűjtés, elemzés, információkezelés és kiselőadás. Tantárgyak: Fizika vagy technika vagy társadalomismeret vagy osztályfőnöki óra Korosztály: 9-12 év. Időigény: otthoni munka;tanórán 2X15 + 15 =45 perc. KITH handbook for schools 5
10.2 Feladatlap A napenergia hasznosítása A kiselőadások alapján hasonlítsátok össze a napenergia hasznosítására szolgáló berendezéseket (napkollektor illetve napelem)! Feladatok: 1. Rendszerezzétek ismereteiteket témánként, hasonlítsátok össze a napelem és a napkollektor felépítését, jellemzőit, paramétereit! 2. Csoportokban készítsetek plakátokat, amelyek a napelemek és a napkollektorok üzemelésének módját ismertetik és a két berendezés közötti különbséget hangsúlyozzák! 3. Tanárotok segítségével foglaljátok össze a napenergia lehetséges hasznosításának előnyeit és hátrányait! Ezeket is jelenítsétek meg a plakátokon! KITH handbook for schools 6
Számoljunk! 10.3. feladat: Otthoni energiaszükségletem hány százalékát tudná előállítani 10m²-nyi optimális telepítésű fotoelektromos panel? Megjegyzések tanárok számára: Háttér: A legtöbb különálló épületen (és társasházon is) elég hely található a lakók éves áramigényét kielégítő napelemek felszereléséhez. Egy fotoelektromos rendszer méretezéséhez figyelembe kell venni a lakók által használt készülékek áramfogyasztását és ennek alapján kell kiszámítani a napi áramfogyasztást. Ennek során úgy szükséges kiszámolni a fotoelektromos panelek területét, hogy lakóhelyet érő a földrajzi szélesség, az éghajlat, a terepjellemzők és akadályok szerint változó éves napsugárzást figyelembe véve kielégítsék az elvárt igényt. Ezek a számítások független rendszer esetén alapvető fontosságúak, de a hálózathoz csatlakozó rendszerek esetén is elengedhetetlenek. 1. A fotoelektromos modulokat általában a tetőre vagy a földre szerelik. A legszerencsésebb, ha déli irányba néznek, mivel innen kapják a legtöbb napenergiát, de az is elfogadható, ha keleti vagy nyugati tájolásúak. 2. A fotoelektromos moduloknak tiszta rálátásra van szükségük. Ez azt jelenti, hogy csak kevés árnyék érheti a panelt, mivel ez jelentősen csökkenti a termelt árammennyiséget. 3. Egy fotoelektromos rendszer négyzetméterenkénti energiahozama megbecsülhető (hazánkban kb 120 kwh/m2/év). A fotoelektromos energiahozam-térkép elkészítésekor is ezt tették feltételezve, hogy a legelterjedtebb modulokat használják, azok déli irányba néznek és a talajhoz képest 30 -os szögben állnak (optimális üzemelési feltételek). 4. A fotoelektromos rendszer fizikai méretét a kívánt elektromos áram mennyisége határozza meg. 5. Amikor egy család napelemek használata mellett dönt, először fogyasztásukat kell csökkenteniük, hogy igényeiket 10-20 m² panel segítségével kielégíthessék. Cél: A fotoelektromos rendszerek demisztifikálása. A gyakorlat pontos elvégzésével a családok gyakorlati értékkel bíró információhoz jutnak. Segédanyag: családi villanyszámla, internetes fotoelektromos energiahozam-térkép vagy adatai Kulcsszavak: fotoelektromos rendszerek, napelemek, áramigény. Készségek: logika, elemzés, számítás. Tantárgyak: technika számítástechnika (opcionális: olyan Excel tábla létrehozása, amely az adatok behelyettesítése után automatikusan számol), fizika, földrajz Korosztály: 12+ Időigény: 20 perc. KITH handbook for schools 7
10.3 Feladatlap Otthoni energiaszükségletem hány százalékát tudná előállítani 10 m²-nyi optimális telepítésű fotoelektromos panel? Feladatok: Vizsgáld meg alaposabban otthonod áramfogyasztását és azt, hogy a fotoelektromos paneleknek mekkora felszínnel kell rendelkezniük, hogy megtermeljék a kívánt mennyiséget! 1. Villanyszámlátok alapján határozd meg, mennyi elektromosságot használ családod egy év alatt! Az összeget (A) kwh-ban kapod meg. 2. Keresd meg városodat, faludat vagy régiódat az alábbi fotoelektromos energiahozam térképen, és tanári segítséggel határozd meg az egy m²-nyi, optimális telepítésű, klasszikus fotoelektromos rendszerrel elérető éves elektromos energiahozamot! Az összeget (B) kwh/m²/évben kapod meg. A m² a modul (és nem a talaj) felszínének területére utal. 3. Számítsd ki, hány négyzetméter napelemre lesz szükséged otthonod áramigényének (C) kielégítéséhez (C=A/B)! Energiatermelési térkép KITH handbook for schools 8