EÖTVÖS LÓRÁND TUDOMÁNYEGYETEM TERMÉSZETTUDOMÁNYI KAR KÖRNYEZETTUDOMÁNYI ISKOLA NAPENERGIA HASZNOSÍTHATÓSÁGÁNAK ÁTTEKINTÉSE CSALÁDI HÁZAKBAN SZAKDOLGOZAT Készítette: Salló Andrea V. biológia-környezettan szakos hallgató Témavezető: Dr. Horváth Ákos egyetemi docens Budapest 2006
Tartalomjegyzék Bevezetés. 3 1. A megújuló energiaforrások, Napenergia 1.1 Napjaink társadalmainak energiakérdése 4 1.1.1 A fosszilis energiatermelés problémái... 4 1.2 A megújuló energiaforrások... 5 1.2.1 Napenergia... 6 1.2.2 Szélenergia... 7 1.2.3 Vízenergia. 7 1.2.4 Geotermikus energia... 9 1.2.5 Árapály energia... 10 1.3 A Napenergia hasznosíthatóságának áttekintése. 10 1.3.1 A passzív Napenergia hasznosítás...... 11 1.3.2 Az aktív Napenergia hasznosítás 13 2. A Napenergia, és az azt felhasználó technológiák fizikai háttere 14 2.1 Az elektromágneses sugárzás fizikai alapjai. 14 2.2 A Napenergia elektromos árammá alakítása... 16 2.2.1 Stirling-motor.. 16 2.2.2 A Stirling-motorok termodinamikája... 16 2.2.3 A Stirling-motor jellemzői...... 17 2.2.4 A Stirling-motorok szerkezeti felépítése 18 2.2.5 A Stirling-motor változatai..... 19 2.2.6 Naperőművek...... 22 2.3 Napkollektoros rendszerek leírása......... 26 2.3.1 Napkollektorok típusai és működésük fizikai alapjai... 26 2.4 Fotoelektromos napelemek.... 31 3. Napkollektoros rendszer családi házakban 33 3.1 Tervezési szempontok..... 33 3.2 A napkollektorok hatásfoka... 34 3.3 Megtakarítási számolások Napkollektoros rendszer használata esetén.... 35 3.4 Kitekintés..... 40 4. Szakdolgozat szakmódszertani fejezet 42 4.1 A Napenergia tanításának lehetőségei... 42 4.2 A Napállandó mérése.. 47 4.2.1 A Napállandó meghatározása. 47 4.2.2 A Napállandó mérése, 1. módszer 49 4.2.3 A Napállandó mérése, 2. módszer 53 4.3 Kvíz játék... 56 Összegzés. 59 Köszönetnyilvánítás... 60 Melléklet. 61 Irodalomjegyzék. 64 2
Bevezetés Életünket jelentősen befolyásolja, meghatározza a fennmaradásunkhoz szükséges, környezetünkből kinyerhető energia milyensége, mennyisége. Az energiaellátás a 21. század ipari társadalmainak kulcskérdésévé vált. A környezeti problémák legnagyobb része a fosszilis energiahordozók elégetésére vezethető vissza. Az általunk az évtizedek során egyre fokozottabban kiaknázott fosszilis energiahordozók sajnos nem állnak korlátlan mennyiségben a rendelkezésünkre, ezért időszerű más alternatívák felé tekinteni. Ezt az energetikai korszakváltást az energiatakarékosság, az energia racionális, környezetbarát hasznosítása, a megújuló energiahordozók fokozott mértékű felhasználása kell, hogy jelentse. Ilyen alternatívát jelent a megújuló energiaforrások és a nukleáris energia használata. A megújuló energiaforrások közé tartozik a napenergia, a szélenergia, a különböző formában megjelenő biomassza, a geotermikus energia és a vízenergia. A vízenergia felhasználása egyre inkább társadalmi és ökológiai ellenállásba ütközik, ezért a biomassza, a szélenergia illetve a napenergia által nyújtott lehetőségek fokozott kiaknázása a cél. Szakdolgozatomban először a napenergiát felhasználó technológiák fizikai hátterével foglalkozom, beleértve a napsugárzás energetikai kérdéseit, a Föld energiaháztartását. Ezután a napenergia szolgáltatta lehetőségeket tekintem át, először általánosságban, majd a családi házakban kivitelezhető napenergiát hasznosító berendezéseket tárgyalom. Megnézem, hogy egy családi házban milyen megoldások kivitelezhetők napkollektoros rendszerek esetén; összehasonlítom egyes cégek árajánlatát, és számba veszem az önerőből létrehozott kollektorok költségeit is. Áttekintem a rendszer hatásfokát, és a megtérülési időt. Szakdolgozatom szakmódszertani részében a 7-11. évfolyamos gyerekek környezettudatos nevelésével foglalkozom; hogyan lehet a tanításban a fizikai alapokat az eleven környezettel úgy társítani, hogy a gyerekek érezzék a kapcsolatot és aktívan vagy passzívan tenni akarjanak környezetük, jövőjük védelmében. 3
1. A megújuló energiaforrások, Napenergia 1.1 Napjaink társadalmainak energiakérdése Mikor az energiakérdésről beszélünk, a ma élő emberiség alapvető problémáját tárgyaljuk. Ha nem állna rendelkezésre energia, egész mai, mindennapi életünk, civilizációnk leállna. Nem lenne világítás, közlekedés, hírközlés, leállnának a gyárak, nem működne otthoni háztartásunk. Az energiakérdés azt jelenti, hogy az egyre növekvő népesség (előrejelzések szerint a Föld lakosságának létszáma 2050-re 10 milliárd körül lesz), és a növekvő energiaigény, továbbá a kimerülőben levő fosszilis energiakészlet mellett úgy kell biztosítani a társadalom energiaellátását, hogy az a lehető legkisebb kockázattal járjon és a környezetünket is óvjuk a szennyezésektől. A társadalom növekedése elsősorban az ún. fejlődő országok régióira jellemző, ami a Föld népességének kb. 4/5-ét érinti. A fejlett országokban az energiafelhasználás csak kis mértékben nő, ellenben az előbb említett fejlődő országokban növekedés várható, hiszen természetes a hozzánk hasonló életszínvonalhoz való igényük az ott élőknek. Az energiakérdés sok megoldásra váró problémát vet fel, pl. az energiaforrások megválasztása, miként lehet a legjobb teljesítményt elérni, hogyan lehet az előállított energiát tárolni, átalakítani stb. Ezeket a problémákat csak hosszú évek kutatási munkájával lehet megközelíteni. Fontos átgondolni azt is, hogy ezek a kérdések nemcsak természettudományos ismereteket követelnek; szükség van a gazdaságtudományok és társadalomtudományok közreműködésére is. Jelenleg a fosszilis energiahordozók felhasználása nagyobb mértékű; ezek a kőolaj, a földgáz és a szén. Jelentős szerepet tölt be a villamos energiatermelésben a nukleáris energia. Az egyes energiahordozók készleteinek csökkenése mellett problémát jelent, hogy nem egyenletesen, hanem koncentráltan oszlanak meg a Földön, ezért elkeseredett küzdelem folyik a lelőhelyek birtoklásáért. 1.1.1 A fosszilis energiatermelés problémái kapjuk. Napjaink fosszilis energiatermelésének 98%-át a szén és a szénhidrogének égetéséből A szén égésekor széndioxid is keletkezik, ami a levegőbe jutva környezetszennyezéssel jár. 4
A Föld felszíni hőmérsékletének kialakításában fontos szerep jut a légkör széndioxid koncentrációjának. Az iparosodás előtt, a középkorban a levegő széndioxid koncentrációja 295 ppm volt. Napjainkban ez 320 ppm körüli értékre nőtt. A széndioxid molekula 1,8*10 13 Hz frekvencián elnyeli az infravörös sugárzást, és ez az elektromágneses energia átalakul belső(mozgási) energiává. Emellett kén-és nitrogén-dioxid is felszabadulhat, és ezek a levegőnél nehezebb gázok rontják a levegő minőségét. Megújuló energia felhasználások 2004. Megújuló energia fajta Villamosenergia-termelés Hőhasznosítás GWh TJ/év TJ/év Víz energia 205,5 739,80 Szél energia 5,6 20,16 Geotermia 3600 Napkollektor 76 Fotovillamos 0,1 0,36 Tűzifa 17470 Egyéb szilárd tüzelő 678 2440,80 5695 Szennyvíz tisztítási gáz 22 79,20 146 Hőszivattyú 46 Egyéb növényi hull 8750 Hulladék égetés 54 194,40 1179 Összesen 40439 TJ/év 1. ábra: Megújuló energia felhasználások megoszlása 2004-ben (www.kvvvm.hu) A fent látható táblázat a Magyarországon történő megújuló energiafelhasználásokról ad információt. 2004-ben az éves energiahasznosítás 40439 TJ/év volt; ebből a napenergia 76,36 TJ/év-vel képviseltette magát, ami az össztermelés kb. 0,19%-a. Ez az eredmény azt mutatja, hogy a napenergia hasznosítása még gyerekcipőben jár; fejlesztéssel, kollektoros rendszerek kiépítésével sokkal jobb mutatókat lehetne elérni. 1.2 A megújuló energiaforrások A megújuló energiaforrások használatának egyik fő célja a fenntartható fejlődés megvalósítása úgy, hogy a természet jelenlegi állapotát megőrizzük. Ennek jelentősége a fosszilis energiaforrások kimerülésével egyre nő. Az üvegházi gázok (CO, CO2, NOx, CH4, SF6) kibocsátásának mérséklése, és a környezeti szennyezések (levegő, talaj, víz) elkerülése szintén fontos szempont. 5
Az alternatív energiahordozók a napenergia direkt és indirekt felhasználása, a szélenergia, a vízienergia, a geotermikus energia, és az árapály energia. Az alábbi diagrammon a világ energiafogyasztásának becsléséről láthatunk adatokat az elkövetkezendő évtizedekre. Az ábrából kivehető, hogy a kőolaj, a szén és a földgáz hasznosítása csökkeni fog, míg a megújuló energiaforrások kiaknázása jelentős mértékű növekedést mutat. Így a citromsárgával jelölt napenergia részvétele az energiafogyasztásban 2060-ra akár 200-300 Exajoule is lehet évente! A VILÁG ENERGIAFOGYASZTÁSA 2060-IG 1600 1400 Energiafogyasztás (Exajoule/év) 1200 1000 800 600 400 egyéb ár-apály energia napenergia új biomassza szélenergia vízenergia hagyományos biomassza atomenergia földgáz kőolaj szén 200 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 Év 2. ábra: A világ energiafogyasztása 2060-ig (www.kvvvm.hu) 1.2.1 Napenergia A napenergia direkt felhasználása a napsugárzás energiáját másodlagos energiahordozóvá alakítja napelemek segítségével. Magyarországon a napsugárzás átlagos évi összegének maximális értéke eléri az 1300 kwh/m2 -t, nem számolva a felhők és az éjszakai periódus teljesítmény kiesését. A napenergia hasznosításának két alapvető módja a napelemek és napkollektorok használata. A napelemek a napfényt elektromos egyenárammá alakítják, amely ezután tetszőleges célokra felhasználható. A napelemek általában 15-18%-os hatásfokkal alakítják át az energiát árammá. 6
A napkollektorok a Nap sugárzó hőenergiáját gyűjtik be. Az így előállított melegvíz épületek, fóliasátrak, medencék, üvegházak fűtésére, fűtésrásegítésre, vagy használati melegvízként nyerhet alkalmazást. Nem direkt napenergia a vízierőművekben, szélerőművekben felhasznált energia, a hullámenergia és a biotömegben tárolt energia. 1.2.2 Szélenergia A napenergia másodlagos formája szélenergiaként is megjelenik azzal, hogy a földet érő napsugarak a légkört különböző mértékben felmelegítve légnyomáskülönbséget okoznak. Ez a nyomáskülönbség és a Föld forgása miatti ún. Coriolis-erő hatására a levegő mozgásba jön, szél támad. 1000m felett általában állandó a szél mozgása, de felszínközelben, súrlódások és örvénylések okozta ingadozások figyelhetők meg, ezért a szél iránya és sebessége időben változik. A napenergiának éves szinten csak 1,5-2,5%-a fordítódik a légmozgás fenntartására, és ennek mindössze 3%-a hasznosítható a Földön. A szél mozgási energiája legerősebb nyílt vidéken, fennsíkokon, lapos dombokon, tengerpartokon; tehát erősen sebességfüggő. Hasznosítása évi 6 m/s lineáris átlagsebesség felett ajánlható. Magyarország adottságai nem biztosítják ezt az értéket. A szélerőgépeknek számos típusa, különböző nagysága (teljesítménye) ismeretes, kezdve a szélmalmokkal (3000 év óta), majd a jelenlegi, kisteljesítményű 1,5-10 kw-os szélmotoroktól a szélerőművekig (1,0-10 MW teljesítmény). 1.2.3 Vízenergia A víz energiájának hasznosítása a történelmi időkre nyúlik vissza. A régi kultúrákban, Egyiptomban, Kínában, és Mezopotámiában a mezőgazdasági területek öntözésére és ivóvíz ellátásra vízkereket alkalmaztak. A római időkben jelentek meg a vízimalmok, úszómalmok, melyek part menti társaikhoz hasonlóan gabonát őröltek. 7
1830-tól az első vízturbinák megjelenése kiszorította a vízkerekeket. A turbinák a nagy esésű és nagy energiájú vizet is tudták hasznosítani, és később a Siemens által tervezett generátor segítségével villamos árammá tudták alakítani mozgási energiájukat. A villamosipar fejlődésével tért hódítottak a vízierőművek, melyek a vízfolyások, tavak, tengerek, mechanikai energiakészletét villamos energiává (régebben közvetlenül mechanikai energiává) alakító műszaki létesítmények. A hasznosítható energia növelése érdekében a vizet duzzasztják, esetleg tárolják, és az 1. képen láthatóhoz hasonló vízerőtelepen a turbinákra ejtik, amelyek generátort hajtva termelnek villamos áramot. A vízierőművek összteljesítménye potenciálisan 20 TW lehet, ebből legfeljebb 2.2 TW hasznosítható, ami 6.9EJ/év. 1. kép: Gátrendszer www.nyf.hu A vízenergia felhasználásának elve A vízenergia a napenergia egy áttételes formájának tekinthető, mivel a felszíni vizek felmelegítésével, párologtatás útján vizet juttat a légkörbe. A pára kicsapódik, és csapadék formájában visszahullik a felszínre. A körfolyamat során a víz helyzeti energiával rendelkezik a tenger szintje fölött; ezt használjuk ki energianyerésre. Ez az energia lehet közvetlen mozgási (kinetikus) energia, folyóvíz esetén, vagy potenciális mozgási energia (víztározó esetén). A két energia alkalmazása közötti különbség a lenti képeken látható. 8
3. ábra: Vízkerék működése mozgási 4. ábra: Vízkerék működése helyzeti energiával energiával ( Forrás : www.kekenergia.hu ) ( Forrás : www.kekenergia.hu ) A 3. ábrán látható, hogy a vízkerék folyóba helyezésével a közvetlen mozgási energia hasznosul. A 4. ábrán a vizet vezetjük rá a vízkerékre, ezáltal hasznosítva a víz helyzeti energiáját. Ez egy elfogadottabb és hatékonyabb módszer, melynek továbbfejlesztett változata a vízturbina. 1.2.4 Geotermikus energia A geotermikus energia, más néven földhő a magmából ered és a földkéreg közvetíti a felszín felé. A földi hő-áramban meghatározott szintig jut el, és ott a kőzetekben, illetve a pórusvízben tárolódik mint termikus energia. A hő felszínre jutása az akadályként elé kerülő kőzetek vastagságától, milyenségétől függ. Szűkebb értelemben a felszín alatti víz hőtartalmában rejlő energia ui. a geotermikus energia jelenleg gazdaságosan csak hévíz közvetítésével hasznosítható, amit a víz nagy hő-kapacitása tesz lehetővé. A Kárpát-medence ilyen szempontból szerencsés elhelyezkedésű; üledékes eredetű, víztározó porózus kőzetekből áll, melyek jó hővezető képességgel rendelkeznek. Magyarország közismerten gazdag hévizekben: különösen a Duna-Tisza közén és a Nagyalföldön jelentős a hévízkészlet. 9
Felszínre hozatala történhet mélyfúrással, hő formájában, a leggyakrabban azonban gőz vagy termálvíz közvetítésével. Ahol gőz hozható fel, ott a geotermikus energiával elektromos áram termelhető, bár kevés ilyen hellyel rendelkezünk (pl. USA, Izland, Új-Zéland). A geotermikus energia előnye, hogy a napenergiához hasonlóan korlátlan, viszont azzal ellentétben nem szakaszosan, hanem folytonosan érkező energiaforrás. Nem szennyezi a levegőt, és olcsón kitermelhető. Termálvíz formájában kiapadhatatlan feltéve, hogy visszapótlás történik a hő kinyerés után. Hátrány, hogy a termálvizek magas sótartalmuk miatt a talaj és a befogadó vizek minőségét ronthatják, viszont nagy előnyük, hogy - számos talajvízzel szemben - ipari vagy más humán tevékenységből származó szennyezéseket nem tartalmaznak. A geotermikus energiát sokféleképpen lehet hasznosítani: belső terek fűtésére, melegvízszolgáltatásra, termálfürdőkben, ipari célokra és a mezőgazdaságban. 1.2.5 Árapály energia A tengerjárás, a Földet körülvevő vízburok napi kétszeri szintváltozása, amelyet a Nap és a Hold tömegvonzása okoz. Megfelelő gátrendszerek mellett ez a szintváltozás kb. 300 kw teljesítményű vízturbinákkal elektromos energiatermelésre hasznosítható. A gát két oldala közötti vízszint különbségből ered a potenciális energia, ami kinetikus energiává alakul, ahogy a víz átfolyik a turbinán. A turbina meghajtja a generátort, ami elektromos áramot termel. Az erőmű által termelt teljesítmény az ár és az apály közötti vízszint különbség négyzetével egyenlő. 1.3 A napenergia hasznosíthatóságának áttekintése NAPSUGÁRZÁS (Forrás: www.naplopo.hu) 10
A fent látható ábrán levezetett csoportosításból a napsugárzás energiájának közvetett felhasználását az előbbi fejezetben tárgyaltam. Most a közvetlen felhasználási módokat mutatom be. 1.3.1 Passzív napenergia hasznosítás A napenergia passzív hasznosításakor nem használunk külön berendezést a napenergia felfogására. Ez a módszer az építészetben aknázható ki. Több-kevesebb hatásfokkal minden épület hasznosítja a ráeső napsugarak energiáját. Ez a történelmi korok során hol jobban kihasználták, hol teljesen háttérbe szorult az épületek környezetbe illesztése. Passzív hasznosításkor lényeges szempont, hogy milyen éghajlatú területen vagyunk. Másként lehet hasznosítani az energiát egy egyenlítőhöz közeli, trópusi éghajlatú területen, mint az északi országokban, ahol még nyáron is fűteni kell, vagy pl. a mérsékelt éghajlatú hazánkban, ahol télen kevés, nyáron pedig sok napenergia áll rendelkezésre. Magyarországon az elmúlt évtizedekben nem hagyott nyomot az építészetben ez a lehetőség, melynek eredményeként a rossz tájolású épületeknél és a túl kicsire méretezett ablakfelületek következtében alacsony a napenergiából befogható energiamennyiség így magasabbak a fűtési költségek. Ugyanakkor egyes épületekben nyáron túlmelegedés tapasztalható, ezzel csökkentve az ott élők komfort érzetét. A passzív energiahasznosítás feladata A fent leírtakból érzékelhető a passzív energia hasznosítás feladata: az épület ne melegedjen túl a nyári napsütésben, viszont az éghajlat adta keretek között optimálisan hasznosítsa a napból érkező energiát. Az alábbi ábrán látható, hogy a napkollektorok illetve napelemek által begyűjthető energia mennyisége nagyban függ a berendezések tájolásától és dőlésszögének beállításától. Energiahasznosítás szempontjából a déli tájolás a legkedvezőbb. A dőlésszög optimális értéke az üzemeltetés időszakától függ. Egész évi működtetés esetén, a budapesti, átlagos sugárzási adatokat figyelembe véve, a vízszintessel bezárt 43,5 fokos dőlésszögű beállítás az optimális. Nyáron az eltérő napmagasságok miatt mindössze 18,5 fok, télen 76,2 fok ez az érték. Általában 30-60 -os dőlésszöget szokás alkalmazni. 11
5. ábra: A Napenergia passzív hasznosítása ( Forrás: www.okotaj.hu ) A passzív napenergia hasznosítás feltételei A passzív napenergia hasznosítás a következő feltételekhez kötött: A napsütéses órák száma magas legyen A napsütésnek el kell érnie az épületet Az épületnek tudnia kell a sugárzást hasznosítani Fontos, hogy alkalmas legyen a hasznosított hő tárolására, és a fűtendő térbe való közvetítésére Előfordul, hogy ezek a feltételek nem teljesülnek, ezért az épületet nem lehet passzív napenergia hasznosításra tervezni. A passzív napenergia hasznosítás szempontjából a tervezés során következőket fontos figyelembe venni: települési szinten o az épületek megfelelő tájolhatósága érdekében az utak optimális nyomvonalvezetése, o a beépítési távolságok meghatározásánál a benapozás figyelembe vétele, o megfelelő árnyékoló növényzet telepítése, amely nyári időszakban védi az épületeket az erős napsugárzástól, építményi szinten 12
o az épület kedvező tájolása, o a tájolásnak és a hőveszteség minimalizálásnak megfelelő alaprajz és tömegforma tervezése, o az üvegezett felületek nagyságának optimális méretezése, o az épületszerkezetek anyagának kiválasztásánál a passzív hasznosítás figyelembe vétele (pl. a falak jó hőtároló anyagból készüljenek) A passzív napenergia hasznosítás lehetőségei Elsődleges feladata az épületekben a napenergia fűtési célra történő hasznosítása az energiahiányos időszakban. A mérsékelt éghajlati övben ez a téli időszak eléggé kinyúlik, ezért a passzív napenergia hasznosításnak az átmeneti tavaszi- és őszi időszakban van nagy jelentősége. Legegyszerűbb módszer, ha a ház déli oldalán optimális méretű, hőszigetelő ablakokat helyezünk el, és a lakótereket elsősorban a déli oldalra tervezzük. Ezt a megoldást új ház építésekor bárki alkalmazhatja többlet költség nélkül. 1.3.2 Aktív napenergia hasznosítás Az előbb felvázolt passzív napenergia hasznosítás egyszerű, ezért költségkímélő megoldás volt. A napenergia adta lehetőségek aktívabb kihasználásához azonban olyan technológiai megoldásokat kell alkalmazni, amelyek speciálisan a napenergia felfogására és hasznosítására készültek. Ezeket az épületgépészeti berendezésekkel működő rendszereket aktív napenergia hasznosítóknak nevezzük. Ilyen rendszert alkotnak a napelemek és a napkollektorok. Napkollektor A napkollektor napenergia-gyűjtő szerkezet, mely a napenergia közvetlen hasznosítására szolgáló aktív rendszerek legfontosabb eleme. A napkollektor a sugárzást elnyeli, és a keletkezett hőt alkalmas munkaközegnek adja át. Napelem A napelem olyan eszköz, amely a nap sugárzását elektromos árammá alakítja át a fényelektromos jelenség segítségével, így akár egy egész épület áramellátását is képes biztosítani. 13
2. A Napenergia, és az azt felhasználó technológiák fizikai háttere 2.1 Az elektromágneses sugárzás fizikai alapjai Elektromágneses sugárzás Az elektromágneses sugárzás egymásra merőlegesen haladó oszcilláló elektromos és mágneses tér, mely energiát és lendületet szállít a térben, hullám formájában terjedve. Az elektromágneses sugárzás 380nm és 780nm hullámhossz tartományba eső része a látható fény. Az összes elektromágneses sugárzás frekvencia, hullámhossz és energia szerint rendszerezhető; a kapott képet elektromágneses spektrumnak nevezzük. 6.ábra: A teljes elektromágneses spektrum ( Forrás: www.gtn.sonoma.edu ) Fény típusa Rádióhullámok Mikrohullámok Infravörös Látható fény Ultraibolya Röntgensugarak Gammasugárzás 1 nm = 10-9 m Hullámhosszak > 30 cm 1 mm - 30 cm 700 nm - 1 mm 350 nm - 700 nm 10 nm - 350 nm 0.01 nm - 10 nm < 0.01 nm Magyarország felszínére átlagosan 170 W/m 2 teljesítményű napsugárzás érkezik. A Nap, mint energiaforrás felszíne kb. 6000 K hőmérsékletű; belsejében (a Nap magjában) az energiát a magfúzió termeli. Itt hidrogén és hélium található rendkívül nagy hőmérsékleten 14
(15 millió K) és nyomáson (300 milliárd bar). Az ilyen körülmények között ionizálódott atomok plazmaállapotot hoznak létre, mely az elektronok és atommagok gázából áll. A részecskék elég nagy átlagos mozgási energiával rendelkeznek ahhoz, hogy ütközés során a hidrogén atommagok (protonok) és a hélium atommagok olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy a magerőket legyőzve a két atommag össze tud olvadni. Ezt a jelenséget nevezzük magfúziónak. A fúzió során felszabaduló hatalmas mennyiségű energiát a felszín elektromágneses sugárzása adja le. Ez olyan sugárzás, mint az abszolút fekete test sugárzása. A fekete-test sugárzás olyan képzeletbeli testnek- az abszolút fekete testnek- a sugárzása, amely az elektromágneses sugárzás minden hullámhosszát képes elnyelni. 7.ábra: Az abszolút fekete test energiakibocsátása a hullámhossz függvényében (Planckgörbe), piros görbe:6000 K, kék görbe: 5000 K, zöld görbe: 4000 K ( Forrás: www.wikipedia.hu ) A feketetest-sugárzás törvényei Max Planck nevéhez fűződnek, melyek meghatározzák az elektromágnese sugárzás hullámhossz vagy frekvencia szerinti eloszlását. A 6000 K hőmérséklethez tartozó maximális intenzitás épp a látható fény tartományába esik, de jelentős része az ultraibolya tartományban is megtalálható. Egy felület által kibocsátott sugárzás intenzitása függ a felület hõmérsékletétõl. A kisugárzott energiának egy bizonyos hullámhosszon maximuma van. A maximumhoz tartozó λ m hullámhossz és a felületi hõmérséklet közötti összefüggést a Wien törvény határozza meg. λ max =2884/T A Stefan-Boltzmann törvény szerint a kisugárzott energiamennyiség a sugárzó test hőmérsékletének negyedik hatványával arányos: E=σ*T 4 15
2.2 A Napenergia elektromos árammá alakítása 2.2.1 Stirling- motor A Stirling- motor egy külső égésű hőerőgép, melyet 1816-ban alkotott meg a skót származású lelkész, Robert Stirling. Az Ő tiszteletére nevezték el ezt a fajta motort Stirlingmotornak. A Stirling- motor egy külsőégésű motor, melynek a kipufogó gáza nagyon tiszta és a motor szokatlanul csendesen dolgozik a belsőégésű motorokkal összehasonlítva. Mivel külsőégésű gépről van szó, ezért az üzemanyaga nem csak olajszármazék lehet, hanem bármilyen hőforrás is, például a Föld hője vagy a napfény. A Stirling-gép napenergiával történõ "fûtésének" ötlete a híres angol/amerikai feltaláló John Ericsson nevéhez fûzõdik. A NASA kiemelt kutatási terveiben szerepel a napenergiával hajtott elektromos energiát termelõ Stirling-motorok létrehozása. 2.2.2 A Stirling motorok termodinamikája A termodinamika tanításában, a II. fõtételhez kapcsolódóan gyakran szóbakerül a a Stirlingkörfolyamat. Ennek egyik oka, hogy a példa kapcsán viszonylag könnyû megérteni és elemezni, hogy hogyan lehet körfolyamat során a gázzal munkát végeztetni. 8.ábra: Az ideális Stirling körfolyamat és hatásfoka (Forrás: www.metal.elte.hu) A Stirling körfolyamat állandó térfogatú melegítési folyamatból, izotermikus tágulási folyamatból, állandó térfogatú hűtési folyamatból és izotermikus összehúzódási folyamatból áll. Elméletileg a Carnot körfolyamatnak a legjobb a hatásfoka, s a Stirling körfolyamat 16
hatásfoka ezzel vetekszik. A Stirling körfolyamat megfordítható, reverzibilis, azaz külső erővel hajtva hűtőként is viselkedhet. A Stirling motornál a gáz két, egymástól bizonyos távolságra lévő és különböző hőmérsékletű térben áramlik, s ez a hőmérsékletkülönbség nyomáskülönbséget hoz létre. Ez a két tér nagyon jól el van szigetelve a külső tértől, így nincs keveredés a külső tér levegőjével. A motor bárhol működhet, ahol hőmérsékletkülönbség van jelen, így a jövőben sok helyen lesz használható a Stirling motor. 2.2.3 A Stirling- motor jellemzői A Stirling motort a következők jellemzik: - A hőforrások széles skálája A belsőégésű motorok, mint pl. a benzin vagy diesel motorok csak táguló üzemanyagot használhatnak. Ugyanakkor a Stirling motor nem csak ezeket az üzemanyagokat használhatja, hanem bármilyen éghető anyagot, mint pl. faszenet vagy fát is. Ezen kívül nem üzemanyag jellegű hőforrásokat is használhat, mint pl. a Föld hőjét, meleg légáramlatokat, vagy a napfényt. Jelenleg a világ számos pontján fejlesztenek napenergiával működő Stirling motorokat. - Tiszta kipufogó gáz Mivel a Stirling motor külsőégésű, ezért az üzemanyag elégetése a motoron kívül történik. Ebből kifolyólag az égés könnyebben kontrolálható a belsőégésű motorokhoz képest. Ennek eredménye a nagyon tiszta kipufogó gáz. - Nagyon halk üzem A belsőégésű motoroknál a nyomáskülönbség robbanás kíséretében alakul ki, ezért ott a zaj és a vibráció elkerülhetetlen velejárója a folyamatnak. A Stirling motoroknál ezzel szemben a nyomáskülönbség nagyon finoman alakul ki, mely csöndessé teszi a folyamatot, ezen kívül nincs szükség összetett szelep-mechanizmusra sem. - Magas hőhatásfok A Stirling körfolyamat hőhatásfoka nagyjából megegyezik a Carnot-körfolyamat hatásfokával, mely elméletileg a legjobb. A Carnot-körfolyamat hatásfoka: h = 1 - (T c /T h ) ahol: T h - A körfolyamat legmagasabb hőmérséklete T c - A körfolyamat legalacsonyabb hőmérséklete Ez azt jelenti, hogy az elméleti hőhatásfok annál jobb, minél nagyobb a hőmérséklet különbség. A Stirling motoroknál a 40 %-os hatásfok is könnyen elérhető (Th kb. 220 celsius). 17
A Stirling- motor működési elve: A Stirling-motorokban többnyire két dugattyú mozog, egymással 90 -os szöget bezárva. Az egyik nem illeszkedik teljesen a henger falához, feladata a levegő mozgatása, "terelése" (kiszorító-dugattyú). A másik illeszkedik a henger falához, ennek feladata a hengerben található gáz nyomásának változtatása (teljesítmény-dugattyú). A Stirling-motorban a teljesítmény dugattyú a felmelegedő gáz tágulásának hatására mozgatja a tengelyt, amely a másik, kiszorító dugattyút elmozdítva az előbbit lehűti, amelyben a lehűlő gáz tovább mozgatja a tengelyt a hő felé, ezáltal újrakezdve a körforgást. A Stirling-motort voltaképpen ez a nyomás-hőmérséklet változás hajtja. A mozgást szintén majdnem minden motornál négy fázisra lehet osztani (Rainke- ciklus): Fűtés, kitágulás, hűtés és kompresszió. 2.2.4 A Stirling motorok szerkezeti felépítése A Stirling körfolyamat lejátszódhat egyetlen hengerben is, ezért egy általános Stirling motor úgy van kialakítva, hogy tartalmaz egy olyan teret, ahol hőmérsékletkülönbség van. 9. ábra: A Stirling- motor általános modellje (Forrás:www. fenykapu.free-energy.hu ) A ábrán látható jelölések a következőt jelentik: V E - Magas hőmérsékletű, tágulási tér H - Melegítő R - Regenerátor C - Hűtő V C - Alacsony hőmérsékletű, sűrítési tér 18
2.2.5 A Stirling- motor változatai:. Kétdugattyús Stirling motor A kétdugattyús Stirling motort alfa típusú Stirling motornak is hívják. Ez a fajta motor két munkadugattyúval rendelkezik, melyek között a fáziskülönbség 90. 10. ábra:alfa típusú Stirling motor ( Forrás: www. fenykapu.free-energy.hu ) Ebben az esetben a magas hőmérsékletű tágulási tér és az alacsony hőmérsékletű összehúzódási tér össze van kötve. Miközben a dugattyúk mozgatják a gázt, eközben ugyanez a két dugattyú munkát is végez. A kétdugattyús Stirling motor működési elve A kétdugattyús Stirling motornál a munkagáz mozgatása és a munkavégzés két munkadugattyú által valósul meg. A két dugattyú mozgása között egy 90 -os fáziseltolódás van. 11. ábra: kétdugattyús Stirling-motor munkafolyamatai (Forrás: fenykapu.free-energy.hu ) 19
Az egyes ütemek a következőképpen néznek ki: 1. Állandó térfogatú melegítési ütem A sűrítő oldali dugattyú felfelé, a tágulási oldali dugattyú pedig lefelé mozog. A munkagáz hőmérséklete magas és a gáz a tágulási tér felé áramlik, miközben a fűtő mellett elhalad. A motorban a gáznyomás emelkedik. 2. Izotermikus tágulási ütem Mind a kettő munka dugattyú lefelé mozog, a munkagáz pedig tágul. A motor munkát végez. 3. Állandó térfogatú hűlési ütem A sűrítő oldali dugattyú lefelé, a tágulási oldali dugattyú pedig felfelé mozog. A munkagáz alacsony hőmérsékletűvé válik és a sűrítési tér felé áramlik, miközben a hűtő mellet halad el. A gáz nyomása a motorban leesik. 4. Izotermikus sűrítési ütem Mind a kettő dugattyú felfelé tolódik, miközben a munkagázt sűrítik. A motor a hőjét leadja a környezetének. A motornál a két dugattyú felváltva mozoghat és a két dugattyú mozgása között egy 90 -os fáziseltolódás van. Kiszorításos Stirling motor A kiszorításos Stirling motornál a munkagázt egy kiszorító dugattyú mozgatja a magas és alacsony hőmérsékletű terek között. Ennek a típusnak két fajtája létezik, a béta és a gamma típusú. Béta típusú kiszorításos Stirling- motor A béta típusú kiszorításos Stirling motornál a kiszorító és munkavégző dugattyúk egy közös hengerben találhatók, ennek következtében mind a két dugattyú azonos átmérőjű kell legyen. 12. ábra: Béta típusú kiszorításos Stirling- motor ( Forrás: www. fenykapu.free-energy.hu ) A két dugattyú minden egyes ütemben egymás terét metszi, ezért a nyomásarány növekszik, ami viszont nagyobb teljesítményt eredményez, mint amekkorát a gamma típusú Stirling motoroknál el tudunk érni. Mivel azonban a kiszorító és munka dugattyú tengelyei egyvonalban helyezkednek el, ezért a készülék elkészítése nehézkes. 20