:: Napenergia hasznosítás

1. A Nap - Általános ismeretek

A Nap a naprendszer központi csillaga. A G2V színképosztályba tartozik. A Nap tartalmazza a Naprendszer anyagának 99.8%-át, átmérője 109 földátmérő. Óriási tömege révén a Nap hatalmas gravitációs erőt fejt ki. Ez az erő tartja együtt a naprendszert, és irányítja valamennyi bolygó és kisebb égitest mozgását is. 73,5%-ban hidrogénből áll, amely a központjában zajló magfúzió során héliummá alakul. Az ennek során felszabaduló, majd a világűrbe szétsugárzott energia nélkülözhetetlen a legtöbb földi élőlény számára: fénye a növények fotoszintézisét, hője pedig az elviselhető hőmérsékletet biztosítja.

A mintegy 10 milliárd évig tartó fejlődésének jelenleg a felénél jár. A fűtőanyagát jelentő hidrogén elhasználása után, 5 milliárd év múlva vörös óriássá duzzad, majd a külső rétegeiből planetáris köd képződik, magja pedig magába roskadva fehér törpévé alakul.

A Nap energiája elsősorban közeli ibolyántúli, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett a Nap kisebb mennyiségben mindenféle más sugárzást is kibocsát, a gamma- és röntgensugaraktól egészen a rádióhullámokig. A Nap elemi részecskéket is kisugároz, amelyet napszélnek nevezünk. A Napból másodpercenként kisugárzott energia teljes mennyiségét a Nap sugárzási teljesítményének nevezzük. Az értéke 3.86e26 W. A kisugárzott energiamennyiségnek legfeljebb csak tízmilliárdod része éri el a Földet. A földi légkör 1m2 merőlegesen beeső teljesítmény még így is átlagosan 1353 W. Ez a mennyiség a napállandó.

Hazánk területén a napfénytartam éves összege átlagosan 1750 és 2050 óra között alakul. A napsütéses órák éves összege 2006-ban 1690 és 2180 óra között váltakozott az ország területén, az átlagosan 2041 óra 4%-kal haladja meg az 1961-90-es átlagértéket. Általában a Dél-Alföldön és Baranyában éri el a maximumát a napfénytartam, míg minimuma az Alpokalján és az ország északkeleti részén van.

2. Napenergia hasznosítása

A Napból érkező napenergia közvetlen hasznosításának több módja létezik.

2/a. Napelemek

A napelem olyan fotovillamos elem, amely a Nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja át villamos energiává. A napelemek alapanyaga félvezető. Az energiaátalakítás a félvezető alapanyagban játszódik le. Az energiaátalakítás alapja, hogy a fény elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amelyeket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít.

A megtermelt villamos áram (a napelem felépítéséből adódóan) egyenáram, ezt egy megfelelő inverter (átalakító) segítségével visszatáplálhatjuk az elektromos hálózatba.

Azt az energiát, amely az összes Földön található és kitermelhető kőolajkészletekben rejlik a Nap 1,5 (azaz másfél ) nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség évi energiafogyasztása megfelel 1 (egy ) óra alatt kibocsátott napsugárzásnak.

A szilicium alapanyag megjelenése, a félvezető eszközök térhódítása új irányt adott a fotovillamos eszközök fejlődésének. A fotovoltaikus elemek abban különböznek a napelemektől, hogy árnyékban is képesek áramot termelni, nem csak napsütésben.

Napelemek fajtái (alapanyag szerint):

  • Egykristályos szilícium (Si) napelemek a leghatékonyabbak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25%, az elméleti határ 31%.
  • Polikristályos Si napelemek
  • Amorf szilícium napelemek
  • Fém - félvezető - fémszerkezetek: festékanyagokkal érzékenyített félvezető-oxidok. A hatásfokuk kevesebb, mint 10%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid napelemek
  • Adalékolt amorf félvezető napelemek
  • Szerves anyagokból (polimerekből ) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%

2/b. Napkollektorok

Az első napkollektorok egyszerű műszaki megoldások voltak, olyan feketére festett víztartályok, melyeket ablaküveg mögé helyeztek. Ezeknek a kezdetleges eszközöknek az egész nappalra szükségük volt, míg felforrósították a vizet, majd mihelyt a Nap lement, a tartályok gyorsan visszahűltek a hőszigetelés teljes hiánya miatt.

A napkollektor nem más, mint a Nap fényenergiáját hőenergiává átalakító berendezés. Legtöbbször víz melegítésére használják, de előfordul hőcserélő közegként légnemű anyag is. A felmelegített anyagot használják fűtésre, vagy melegvíz szolgáltatáshoz.

- Síkkollektor

Mint minden napkollektor a nap fényenergiáját alakítja át hőenergiává. Azon felületet, amelyen ez a folyamat végbemegy abszorbernek nevezzük, amelyet a jobb fényelnyelő képesség érdekében egy speciális bevonattal látnak el. A modern, szelektív bevonatok többrétegűek, s megakadályozzák a visszaverődést.

Az elnyelő felület hátoldalára vékony csőhálózatot forrasztanak. Ebben áramlik a hőtovábbító folyadék, mely elszállítja a kollektorban termelt hőt a víztartályba. A folyadékot a téli időszak miatt fagymentessé kell tenni, ezért fagyálló koncentrátumot kevernek össze a vízzel. A napjainkban használatos propilénglikol nem mérgező és jól ellenáll a magas hőmérsékleti ingadozásoknak is.

Az elnyelő felület alatt hőszigetelést helyeznek el, amely megakadályozza a megtermelt hő elvesztését.

A napkollektort felülről egy speciális, biztonsági üveg védi, amely igen rugalmas, fémben szegény edzett üveg és nagy a fényáteresztő képessége.

A kollektor teste, kerete a beépítés módjától függően lehet fa, vagy alumínium.

A felszereléshez a különböző tetőfajtákhoz illeszkedő rögzítőkészleteket használnak, amelyek biztonsággal rögzítik a napkollektorokat minden időjárási körülmény esetén.

A jó minőségű síkkollektorok rendkívül sokáig működhetnek. A gyártók 20-30 év közé teszik a garantált élettartamot.

- Vákuumcsöves kollektor

Az ikerüveges változat alapötlete a termoszüvegektől ered. A dupla üvegfal belső felére gőzöléses eljárással hordják fel az abszorberréteget. A külső üvegcső teljesen átlátszó. A beeső fény a belső üveg felületén hővé alakul, melyet az üvegcső belsejében elhelyezett fűtőcső továbbít a gyűjtőegységbe. Innen a rendszerben keringtetett folyadék a víztartályba szállítja az átvett hőt. A folyadékot jelen esetben is a téli időszak miatt fagymentessé kell tenni a fentiekben leírtak szerint.

A két üvegcső közötti teret vákuum tölti ki, amely a hőszigetelést biztosítja. Magyarországon az utóbbi években kedvező áruk miatt nagyon elterjedtek ezek a típusok, ám itt rögtön meg kell jegyezni, hogy a külsőre azonosnak tűnő gyártmányok között igen nagy különbség lehet a teljesítmény tekintetében. Az egyes gyártmányok közt akár 30% teljesítménykülönbség is lehet, ami azt jelenti, hogy a gyenge minőségű utánzatok teljesítménye még a közepes minőségű síkkollektorokét is alig éri el.

Felszerelésükre a már korábbán leírtak érvényesek.

Ezen napkollektor típusnál nagyon oda kell figyelni a nyári hőelvételre. Ha a vákuumcsöves napkollektoros rendszerek pont a nyári időszakban, amikor a legtöbb hőt termelik, sokat kényszerülnek állásra, akkor ez rossz hatással lehet a kollektorok élettartamára. A hőcsövek ugyanis csak egy meghatározott ciklusszámot képesek „túlélni”, amely a különböző gyártói számítások szerint kb. 15 évre maximalizálja az ilyenfajta vákuumcsöves kollektorok élettartamát.

A két üvegréteg között lévő vákuum megtartása érdekében egy báriumgyűrűt használnak (mint a televíziócsövekben).vakuumcsoveskollektor4_120
A gyártási folyamat során ezt a gyűrűt magas hőmérsékletnek teszik ki, aminek eredményeként a vákumos csövek aljára vékony réteg báriumbevonat kerül. A báriumréteg aktívan elnyeli a hőtárolás és működés során, a csőben keletkező CO, CO2, N2, O2, H2O és H2 gázkibocsátást, így őrizvén meg a vákumot. Emellett, a báriumréteg tisztán láthatóan mutatja is a vákum állapotát. Az ezüstszínű báriumréteg fehérré változik, ha a vákum megszűnik. Ezáltal könnyen megállapítható, hogy egy cső jó vagy rossz állapotban van-e. 

Általánosságban elmondható tehát, hogy a vákuumcsöves kollektorok telepítését csak akkor javasoljuk, ha megoldható az egész éven át tartó egyenletes hasznosítás és működtetés. Ez a fűtésrásegítésre készült nagyobb rendszerek nyarankénti többlethőjének a pl. medencefűtésre történő felhasználását jelenti.

2/c. Egyéb felhasználási módok:

- Parabolatükrökkel

Német kutatók annak jártak utána, hogy Európa számára milyen alternatívát jelenthetne egy olyan napenergia-mező, ahol nem hagyományos napkollektorokat, hanem parabolatükröket alkalmaznának. A parabolatükrök egy pontba fókuszálják a napsugarakat, hogy aztán abban a pontban megfelelően előkészített folyadékot melegítsenek fel, és végül gőzt állítsanak elő belőle. A gőzenergia turbinákat hajt meg, amelyek segítségével így közvetlenül előállítható az elektromos áram. A Német Lég- és Űrrepülési Központ (DLR) megvalósíthatósági tanulmányából az is kiderül, hogy a Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (A mediterrán térségen átívelő megújuló energia összefogás - TREC) elképzelése, miszerint parabolatükrökkel felszerelt napenergia-mezőket alakítanának ki körben, a Földközi-tenger mentén, egyáltalán nem a sci-fi kategóriájába tartozik.

- Napenergia-gyűjtő léggömbökkel

Joseph Cory-nak (a Geotectura tervezője) nem kevesebbet tett, mint hogy ténylegesen keresztezte a léggömböket a napelemekkel, megalkotva a különleges hibrideket, amelyeket ugyanúgy héliummal töltenek fel, mint a hagyományos léggömböket, viszont a "héjuk" fotovoltaikus szövetből készül.

A végeredmény pedig valóban sokkal több, mint egy látványosság, aminek még a gyerekek is örülnek - számos előnnyel rendelkezik még a hagyományos napelemekkel szemben is. Az első nyilvánvalóan az, hogy a talajon gyakorlatilag semmi helyet nem foglal, a második pedig az, hogy jóval olcsóbb is: míg ugyanis hagyományos napelemekből mintegy $10.000 értékben állíthatunk össze egy 25 négyzetméteres felületet (ennyi termel meg egy kilowattnyi energiát), addig egy ilyen léggömb önmagában hozza ugyanezt a teljesítményt, és "mindössze" $4000-ba kerül.

Ami pedig a hátrányokat illeti, azokból egyelőre kettőt ismerünk: az egyik az, hogy a léggömbök szelekkel szembeni ellenállása még mindig fejlesztésre szorul, ezen még dolgoznak az alkotók. A második pedig az, hogy a ballonok bizonyos rendszerességgel évente igényelnek valamennyi karbantartást (bár hogy ez pontosan mit jelent, azt egyelőre nem árulták el).

Nap


A Nap felépítése


Hélioszférikus mágneses tér


Napelem elvi felépítése


Napelem felhasználása


Parabolatükör


Napenergia-gyűjtő léggömbök


Villamos energia visszatáplálása


Sziget üzemű rendszer vázlata


Síkkollektor


Síkkollektor metszet


Vákuumcsöves kollektor


Vákuumcsöves kollektor metszet


Vákuumcsöves kollektor metszet