Fizikai Szemle 2006/4. 144.o.
A NAPENERGIA MODERN FELHASZNÁLÁSI LEHETŐSÉGEI
Gyorsan fejlődő
társadalmunk energiaigénye az utóbbi évtizedekben egyre nő. Ezt az igényt
elsősorban fosszilis energiaforrások eltüzelésével elégítjük ki, ami azonban a
környezetet károsítja. A fosszilis szén, olaj, földgáz energiahordozók ráadásul
kimerülőben vannak, ezért jelen korunk figyelme az alternatív energiaformák felé
fordul. Az alternatív energiaforrások a geotermikus energia, a nukleáris energia
és a megújuló energiaforrások. Ez utóbbiak legtöbb esetben a napsugárzás
folyamatosan érkező energiájából származnak, mint a szél-, a nap- és a vízi
energia. A napsugárzás először a Föld felszínét melegíti, és a levegő ennek
hatására melegszik csak fel. Ebből ered a légkör egyenlőtlen felmelegedése, ami
a szeleket okozza. A napenergia hatására elpárolgó víz a csapadékkal a hegyekbe
kerül, ez adja a vízi energia (helyzeti energia) kihasználásának lehetőségét. A
napsugárzás energiáját ezeken kívül közvetlenül is fel lehet használni. Amikor a
napenergiát felhasználjuk, átalakítjuk valamilyen más energiaformává, ami lehet
elektromos áram vagy hő. Az energia felhasználása történhet kis méretekben,
háztartásokban néhány kW teljesítménnyel, vagy építhetünk nagy kiterjedésű és
teljesítményű erőműveket is. Hazánkban egyik sem terjedt még el a gyakorlatban.
A Nap mélyén, annak
központjában atommagfúziós reakciók termelik az energiát. Ez a forrása a
napsugárzást alkotó elektromágneses hullámok energiájának is. A légkörben a
napfény különböző frekvenciái (színei) különbözően nyelődnek el, és a felszínre
érve megmaradó energiája négyzetméterenként 1,3 kW. Ez az energia folyamatosan
melegíti a Föld felszínét. Megújuló energiának azért hívjuk, mert a Napban zajló
magfúzió energiája még évmilliárdokig képes lesz fedezni a napsugárzás
energiáját. A Nap energiája egyike a tiszta energiáknak, felhasználásának
általában nincs környezetet károsító mellékhatása. Mennyisége azonban nagy
területen oszlik szét, az energiakoncentráció kicsi. Az energia átalakítási
hatásfoka a jelenlegi technikai színvonalon is még elég alacsony. A napelemek
esetén körülbelül 15%, a napkollektorok esetén körülbelül 80% hatásfok érhető
el. A felhasználható napenergia mennyisége az évszakoktól és a napsütéses órák
számától is függ. Ezt a környező domborzat mellett leginkább a meteorológiai
viszonyok által meghatározott felhőzet-leárnyékoló hatása befolyásolja. Az 1.
ábra hazánk területén 1 m2-re jutó éves napenergia
mennyiségét (globálsugárzás) ábrázolja.
A napenergia felhasználása otthonokban
A napenergia átalakítását
elektromos árammá a napelemek végzik. A napelem egy félvezető dióda, benne egy
n-típusú és egy p-típusú anyaggal szennyezett félvezető réteg helyezkedik el. A
napelemre beeső fény fotonjai fotoelektromos effektussal elektronokat hoznak
mozgásba, és löknek át az egyik félvezető rétegből a másikba (2.
ábra). Így a napenergia intenzitásával arányos áram keletkezik. Ezt
közvetlenül fel lehet használni például fényforrások táplálására, az általános
felhasználáshoz azonban 50 Hz-es váltóáramot kell előállítani belőle. Egy lakás,
családi ház energiafogyasztását egy körülbelül 6-10 kW teljesítményű
energiaforrás képes fedezni. Egy 10 m2-es napelem a legerősebb napsütésben 13 kW
teljesítményt tud felvenni, és körülbelül 2 kW energiát termel. A lakás
energiaigényéhez ezért 30-50 m2-es napelem lenne szükséges. Ez egyrészt túl nagy
a tető felületéhez képest, másrészt nagyon drága. A napelemek anyagának
szerkezete háromféle lehet az ár és hatásfok csökkenő sorrendjében:
monokristályos, polikristályos és amorf szilíciumos félvezető. A napelemek ára
szorosan kapcsolódik a mikroprocesszorok árának alakulásához, hiszen mindkettőt
a félvezető-technológiák határozzák meg. A legújabb technológia az üveg típusú
napelem, melyek ablakokba is beszerelhetők. Ezen modern technológiák a fizikai
anyagtudományi kutatások eredményei, melyek során számos intelligens anyag
gyártása válik lehetővé.
Általában az energiát
nem a déli legnagyobb napsütés idején szeretnénk felhasználni, hanem este. A
napenergia felhasználását ezért kiegészíti a tárolásának technológiája, mely
lehet akkumulátoros, vagy hidrogéncellás, de ezek napjainkban még nem terjedtek
el.
A napenergia jóval hatékonyabban
felhasználható, ha hővé alakítjuk. Az erre szolgáló napkollektorok
használata egyre terjed a családi házak melegvízellátására. A fosszilis
energiahordozókat felhasználó kazánokat nem váltják ki, de hatékonyan
rásegítenek. A technológia jelenlegi szintjén az olcsóbb napkollektorok
körülbelül 15 év alatt térülnek meg (kb. 200-500 ezer forintos beruházás). A
napkollektorban a napenergia egy csővezetékben keringő folyadékot melegít fel,
amely a családi ház melegvíztárolójának hőellátását képes biztosítani (3.
ábra). A napkollektor leggazdaságosabb típusa a vákuumcsöves, szelektív
bevonattal ellátott kollektor. A legfontosabb szempont, hogy a felmelegített
csőrendszer ne adja le az energiáját hővezetéssel, hosszúhullámú elektromágneses
sugárzás útján, és ne is verje vissza a napsugarakat. Az első miatt kell
vákuumcsőbe helyezni azt a rézcsövet, ami a felmelegített folyadékot szállítja.
A második két tulajdonságot az úgynevezett szelektív bevonat teszi lehetővé. Ez
a gyorsan fejlődő technológia mai állása szerint, egy vékony, nikkelből és
alumínium-oxidból álló porózus réteg, mely visszaveri a hősugárzást, és jól
elnyeli a napfényt.
Naperőművek
A napenergia nem koncentrált energia. Az erőművek
teljesítményének eléréséhez nagy területről kell begyűjteni a napsugárzás
energiáját. Ez kiterjedt építkezéseket, precíz technológiák nagy tömegű
megvalósítását jelenti. A napelemek kis hatásfoka és a szilícium drága
gyárthatósága miatt az erőművi napenergia-felhasználás a napsugarak energiáját
leggyakrabban először hővé alakítja, de léteznek napelemes rendszerek is. Már
maga az a tény is meglepő, hogy léteznek naperőművek, de a tiszta levegőjű,
leginkább napsütötte helyeken (például sivatagban) ez gazdaságos lehet.
Napelemekből álló legnagyobb mai erőmű a Mülhausenben lévő 6,3 MW maximális
teljesítményű telep, amely évente 6,75 GWh energiát termel, ami 770 kW
átlagteljesítményt jelent. A termikus naperőművek első típusa a napteknő
(4.
ábra). Ez a napenergiát egy hosszú vályúhoz hasonlító tükörrendszerrel
fokuszálja, melynek keresztmetszete parabola alakú, egy szelektív bevonatú,
vákuumos csőrendszerre, melyben a keringő folyadékot jelentősen fel tudja
melegíteni. Ez a rendszer egy hőtartályt melegít, amiből az energiát többféle
módon is ki lehet venni. Egyszerű esetben gőzgépet hajtanak meg, vagy
Stirling-motort alkalmaznak.
A napfarm
alapgondolata hasonló. Itt a meleg hőtartályt nem egy csőrendszer melegíti,
hanem egy nagy terület napfényét tükrözik a központban álló "víztorony"
folyadékjára. Sok tükröt kis motorok egyenként forgatnak a Nap járásának
megfelelően, mindig úgy, hogy a naptorony tetejére fokuszálódjon. Itt a fény
több száz métert is megtesz a levegőben, amíg a tükörtől a toronyhoz ér, ezért
csak a tiszta, kis elnyelőképességű helyek alkalmasak. A kaliforniai Barstow-ban
1999-ben fejezték be a Sun II. projektet, amely egy 10 MW-os, energiaelnyelő
folyadékként olvadt sót felhasználó naptorony kísérleti üzemeltetése volt. A
projekt alapján tervezik a lakossági energiatermelésre is használható jövőbeni
erőműveket.
A napkémény energiaátalakítási képessége az üvegházhatáshoz
hasonló hatáson alapul. Egy több száz méter sugarú területen a felszín feletti
néhány méter magas levegőt üvegfedéllel zárjuk le. A felszín által kibocsátott
hosszú hullámú elektromágneses sugárzást ez visszaveri, de a fentről jövő
napsugarakat átengedi. A fedél alatti levegő jelentősen felmelegszik és kitágul,
ezért a középen lévő kéménybe áramlik, és ott a nagy területről összegyűlt meleg
levegő gyorsan áramlik felfelé - ez lényegében mesterséges szél. A kéménybe
hagyományos szélturbinákat helyezve, azok villamos energiát állítanak elő (5.
ábra). Ausztráliában nemrégiben elfogadott projekt szerint New South
Wales-ben épül meg az első ilyen kémény, amely több mint 1000 méter magasságával
az ember által épített legmagasabb épület lehet. A projekt előkészítéseként egy
50 kW-os napkémény üzemelt (1982- 1989-ig) a spanyol Manzanaresben.
Horváth Ákos
ELTE Atomfizikai Tanszék
A képek és további információ forrásai a weben:
http://www.naplopo.hu/
http://www.napenergia.lap.hu/
http://napenergia.freeweb.hu/
http://www.xsany.com/
http://www.energylan.sandia.gov/sunlab