Villanyszerelők Lapja

Amikor még csak álom volt a napenergiával való áramtermelés

2019. szeptember 30. | VL online |  996 | |

Amikor még csak álom volt a napenergiával való áramtermelés

Időutazásra invitáljuk olvasóinkat, amelyből megtudhatjuk, hogy a bő hatvan évvel ezelőtt milyennek tűnt az energetika jövője.

Tarján Rezső cikke 1956-ben jelent meg az Élet és Tudomány című lapban.

Széles körben feltűnést keltett a genfi atomerő-értekezlet véleménye, mely szerint a jelenleg ismert szénkészletek mintegy száz-százötven év múlva kimerülnek. Még hátrányosabb a helyzet a másik fő energiaforrásnál, a kőolajnál: a rohamos kitermelés miatt már a legközelebbi ötven évben számolnak kimerülésükkel.

Ezek után természetesen az a kérdés: miből fedezi 160 év múltán az emberiség egyre növekvő energiaszükségletét?

Szerencsére a megoldás kéznél van: a közeljövő energiaforrása az atommag! Világszerte megérdemelt figyelem kísérte a Szovjetunió atomtudósainak beszámolóit a világ első atomenergiával működő villanytelepének részleteiről.

A tudósok azonban azt is számon tartják, hogy a földkerekségnek azok a készletei, amelyekből a jelenlegi atommáglyák hasadóanyagát, a 235 tömegszámú uránizotópot előállítják, ugyancsak korlátozottak. Egyszer tehát ez az energiaforrás is kimerül. Ez mégsem okoz gondot, mert az atommagból kétféleképpen lehet energiát nyerni. Jelenleg a magas rendszámú elemeket – amilyen a 236 tömegszámú urán vagy a 239 tömegszámú plutónium – hasítják. De van még egy másik lehetőség is: alacsony rendszámú elemekből magasabb rendszámú elemeket „összerakni”, s így a hidrogénből héliumot „csinálni”. Ezt a reakciót is megvalósították már, sajnos, tömegpusztító fegyverek gyártására, a hidrogénbomba formájában. Egyelőre itt még nem tudják szabályozni az energia-felszabadulás ütemét, az energia még heves robbanás formájában szabadul fel. Aligha kétséges, hogy a tudósok közös erőfeszítése e téren is megtalálja majd a megoldást. Minthogy pedig a hidrogén Földünkön bőven rendelkezésre áll, a hidrogén-hélium átalakulás az emberiség energiaszükségletét beláthatatlan ideig fedezi.

Van ezek mellett egy másik olyan energiaforrásunk is, amely a szó gyakorlati értelmében kimeríthetetlen. Az idevágó vizsgálatok ugyan ma még csak laboratóriumi szakaszban tartanak, s annak is csak az elején. Még hosszú utat kell bejárnunk addig, amig elérkezünk az iparilag hasznosítható megoldásig. A kérdésre azonban már most érdemes felfigyelnünk. Nem kevesebbről van ugyanis szó, mint arról, hogy a Napból a Földünkre érkező sugárzási energiát – amely minden földi energiafajta forrása – jó hatásfokkal közvetlenül hasznosítjuk elektromos áram előállítására.

Hogyan és mennyi energiát kapunk a Naptól?

A Napban ugyanolyan folyamat játszódik le, mint a hidrogénbomba robbanásakor. A Napban uralkodó magas hőmérséklet hatására az ott felhalmozott hidrogénatommagok héliummagokká egyesülnek. Eközben energia szabadul fel. Ezt az energiát sugározza ki a Nap. A hozzánk érkező sugárzás legnagyobb része elektromágneses sugárzás. (Az elektromágneses hullámok ugyanolyan természetű hullámok, aminőket a rádióállomások antennája sugároz ki, de hullámhosszuk sokkal kisebb.) Milyen formában hat a sugárzásban szállított energia Földünkön? A sugárzás hullámhosszától függ. Ha a sugárzás hullámhossza. 0,4-0,7 mikron között van, a sugárzás szemünkben látható fény formájában jelenik meg. Ha hosszabb, mintegy két mikronig, a sugárzást hősugárzásnak, melegnek mondjuk. A kisebb hullámhosszú sugárzás az ibolyántúli, a röntgen- és a gammasugarak, a hősugaraknál nagyobb hullámhosszú tartományba pedig már a legrövidebb rádióhullámok tartoznak. Ez utóbbi két csoportot a légkör javarészt elnyeli, hatásuk a föld felszínén a fény- és hősugarakhoz képest elhanyagolható. A Napból a Földünkre érkező energia túlnyomóan nagy része fény- és hőenergiaként érkezik hozzánk.

1. ábra. A napenergia segítségével a Szovjetunió déli részén hűtőberendezéseket működtetnek.

Ez az energia sokkal nagyobb, mint gondolnánk. A Napból a Földre érkező összes sugárzási energia az Egyenlítőhöz közeli földrészeken nyáron, felhőtlen égbolton keresztül a déli órákban 80-90 grammkalória óránként és cm2-enként. A szokásosabb egységre átszámítva ez m2-enként kereken 1 kilowattóra teljesítményt jelent. E teljesítménnyel valamivel több, mint egy 1 lóerős villanymotort tudnánk – persze csakis nappal – hajtani! Érthető, hogy a tudósokat már régóta makacsul foglalkoztatja a csábitó gondolat: közvetlenül hasznosítani a Nap energiáját. Ha ez sikerrel járna, egyetlen csapásra megoldódnának az emberiség energiaproblémái.

Kísérletekben nem is volt hiány. Egészen a legutóbbi időkig a leghasználhatóbb megoldásnak az tűnt, hogy a Nap sugarait hatalmas méretű parabolatükrök segítségével kazánok vizének forralására. hasznosítsák (lásd a borítóképen). Az így keletkezett gőzzel villamos erőművet lehet üzemeltetni. A naperőművet olyan helyen kell felállítani, ahol erős és hosszas a napsütés, tehát elsősorban a melegégövi sivatagokban. Csakhogy az ilyen naperőművek szerfölött nagy méretűek, s nagy beruházási költséget kíván a fölépítésük, márcsak a sivatagi viszonyok sajátos nehézségei miatt is. Ehhez járul még, hogy viszonylag rossz hatásfokkal dolgoznak. A beeső napenergiának csak töredékét hasznosítják, s így még az is édeskeveset ér, hogy a hajtóerő ingyen van. Az utóbbi időben e téren is történt előrehaladás, de párhuzamosan a parabolatükrös eljárás fejlődésével újabb kísérletekről is beszámoltak. Így remélhetjük, hogy – ha szerényebb keretben is – nagyvárosi (és nem sivatagi) viszonyok között, kis beruházással, igen jó hatásfokkal közvetlenül hasznosíthatjuk a Nap fényenergiáját.

A félvezetők villamossággá alakítják át a Nap energiáját

Az alapjelenséget a fizikusok már régóta ismerik. MirőI van szó? Vannak anyagok – például a szelén vagy más félvezetők –, amelyekre valahányszor fény esik, a rájuk helyezett fémelektródák között mindannyiszor feszültségkülönbség lép föl, s ezt alkalmas mérőműszerrel ki is lehet mutatni. A félvezetőket éppen ezért fénymennyiségek mérésére már régóta fel is használják (ezen alapszanak a fotoamatőrök fénymérői is). Energia szempontjából való hasznosításukra azonban nem volt lehetőség. A jelenség közelebbi mechanizmusát ugyanis nem értették jól. A fényelemek gyártása még ma is eléggé „egyéni művészet” jellegű, hatásfokuk kicsi.

A modern kvantumelmélet e téren is fordulatot hozott. Az utolsó 20-25 év szívós munkájának eredményeként ma eléggé világosan értjük, hogy mi történik a szilárd testekben akkor, ha különböző külső viszonyok közé kerülnek. A legnagyobb eredményeket éppen a félvezetők területén érték el, s ezek az anyagok az új naptelepek legfontosabb alkatrészei.

A gyakorlatban használt félvezető kristályok körülbelül egy ezred százalékban más, úgynevezett szennyező elemek atomjait is tartalmazzák. E szennyező atomok a félvezető kristályrácsában helyezkednek el. Eközben vagy leadnak egyet a saját elektronjaikból az anyaelem környező atomjainak, vagy ellenkezőleg: az anyaelem atomjaitól vesznek fel elektronokat. Melyik eset következik be? A félvezetőtől, Illetve a szennyező atomoktól függ.

Kétféle típusú félvezető van, aszerint, hogy az alapanyag milyen típusú szennyezést tartalmaz. Ha az alapanyagot szennyező atomok olyanok, hogy könnyen adnak le elektront, a töltéshordozók legnagyobb része negatív töltésű elektron. Ezért az ilyen anyagot „n-típusú” félvezetőnek nevezik (az n betű a negatívra utal). Ha viszont a szennyezés olyan atomokból áll, amelyek könnyen vesznek fel fémből elektronokat, akkor ezek helyén „lyukak” (elektron-hiányok) keletkeznek. A lyukak úgy hatnak, mintha pozitív töltésű elektronok lennének: látszólagos mozgási irányuk is ellenkező, mint az elektronoké. Ezek a „p-típusú” félvezetők. (A p betű a pozitívra utal.) Egy konkrét kristályban általában mindkét típusú töltéshordozó megvan, csakhogy az egyik típus a szennyező atomok természete szerint túlnyomó többségű. Ez utóbbiak szabják meg, hogy p-típusú, vagy n-típusú félvezetővel van-e dolgunk.

Megfelelő kezeléssel el lehet érni, hogy ugyanazon kristály egyik vége p-típusú félvezető legyen, a másik vége pedig n-típusú. Ilyen esetben a kétféle típusú jól meghatározott helyű réteg mentén találkozik. Helyezzünk most egy ilyen kristály két végére feszültséget. Ha a pozitív feszültség a p-típusú oldalon van, a negatív pedig az n-típusú oldalon, a kristály jól vezet, ellenállása kicsi. Ha a feszültséget megcseréljük, a kristály rosszul vezet, az előzőhöz képest majdnem százezerszer nagyobb ellenállást mutat. A kristály tehát egyenirányító, ellenállása az áramiránytól függ.

2. ábra. A szilícium-naptelep első kísérleti példánya. A szilícium félvezető réteg a félkör alakú sötét lemezeken van.

Mi történik, ha egy ilyen, kétféle típusú félvezetőből álló, úgynevezett rétegdiódát megvilágítunk? A fénysugár egyes fénykvantumokból áll, s ezeknek meghatározott energiájuk van. Ez az energia függ a fény rezgésszámától. Annál nagyobb, minél nagyobb a rezgésszám, tehát minél közelebb esik. a szín a spektrum ibolyántúli részéhez. Miközben a fénykvantumok egy – bizonyos mélységig – behatolnak az anyagba, egyes atomokkal összeütközésbe kerülnek. Ha energiájuk elég nagy – szilícium esetében például nagyobb mint 1,02 elektronvolt – az atomot ionizálni képesek, vagyis az atom elektronburkából egy elektront leszakítanak. Az anyagban tehát eggyel nő a szabad, atomhoz nem kötött elektronok száma. Ugyanakkor üresen marad az elektron helye is, tehát egy pozitív töltésnek megfelelő „lyuk” keletkezik. Minthogy a keletkezett pozitív és negatív töltéshordozók száma egyenlő, rendes körülmények közepett nem történik semmi. Az anyag kifelé semleges marad, az elszabadult elektront valamelyik „lyuk” előbb-utóbb befogja. Hanem mihelyt az anyag egyik fele a p-típusú, a fele pedig n-típusú félvezető, a kétféle rész találkozásánál kialakuló átmeneti réteg, az úgynevezett záróréteg szétválasztja a kétféle előjelű töltéshordozókat. Következésképp a félvezetőre helyezett elektródákon feszültség jelenik meg. Ha ezeket az elektródákat vezetékkel összekötjük, azon áram fog folyni, s ezt az áramot hasznosítani lehet.

3. ábra. A naptelep javított változata. Jól láthatók azok a lemezek, amelyekre a félvezető rétegeket felvitték. Az egyes sorok elhelyezett- banánhüvelyek segítségével az egyes elemek sorba kapcsolhatók, hogy nagyobb feszültséget adjanak.

Az évek óta folyó vizsgálatok eredményeként tisztázták az ismertetett mechanizmus lényegét. Ma már legalábbis főbb vonásaiban értjük a záróréteg rendeltetését, kialakulásának és kialakíthatóságának elméleti kísérleti feltételeit. A mérések ama szerfölött érdekes eredményre vezettek, hogy a napfény energiájának közvetlen átalakítása során félvezetőkből előállított fényelem a beeső fényenergiának jelenleg már több mint 6 százalékát hasznosítja, az elméletileg elérhető legnagyobb hatásfok pedig 22 százalék.

A mai fényelemek előállításakor borotvapengényi felületre vákuumban való elgőzölögtetéssel két vékony réteg szilíciumot visznek fel. Egy-egy réteg vastagsága mintegy ezredmilliméter. A két réteg azonban nem egyforma: először olyan réteget visznek fel, amely n-típusú szennyezést tartalmaz, majd erre második rétegként p-típusú szennyezést tartalmazó réteget gőzölögtetnek. A szennyezés mértéke elenyésző – a százaléknak csak ezredrésze – és rendkívül pontosan kell betartani. A két réteg között jön létre a nagyfelületű záróréteg, amely a fény hatására képződő kétféle töltéshordozót szétválasztja.

Az eddigi eredmények biztatók. Sikerült olyan fényelemeket készíteni (2-3. ábra), amelyeknek felülete már elegendő nagy, és hatásfoka is olyan jó, hogy négyzetméterenként 60 watt energiát szolgáltatnak.

4. ábra. Az ábrán látható korong alatt egy kis villanymotor van, amelyet a kép jobb sarkában látható naptelep forgat.

Hogy ezt az eredményt jobban tudjuk érzékelni, gondoljuk meg; hogy szokásos íróasztali lámpák 25-40 watt energiát fogyasztanak, a 60 watt pedig már kisebb szoba világítására elegendő. Az 4. ábrán egy kis tárcsát láthatunk, amelyet az alatta levő motor forgat; a motort a tőle jobbra levő kis naptelep látja el energiával. Ez persze csak példa, de azt bizonyítja, hogy a Nap energiája alkalmas átalakító segítségével közvetlen hajtóerőként is felhasználható.

A naptelepek, ha egyszer kikerülnek a laboratóriumi kutatás szakaszából, hazánkban is nagy jelentőségre tehetnek szert. Időjárási viszonyaink olyanok, hogy viszonylag sok a napsütéses órák száma. Ha a lakóházak, ipari épületek tetején megfelelő naptelepeket tudnánk elhelyezni, amelyek napközben akkumulátorteleket töltenek, megoldható volna például az épületek esti világításának a kérdése az amúgy is erősen terhelt hálózatok igénybevétele nélkül, vagy az eddiginél kisebb arányú igénybevételével. E módszernek főként a kis létszámú, a nagyvárostól távol eső települési helyek, mondjuk tanyák áramellátásában van nagy jelentősége. De jól kiegészíthetik a helyi vízi energia kihasználására épített törpe vízerőműveket is. Elegendő nagy felületek alkalmazása esetén pedig erőgépek – például cséplőgépek – meghajtására is jól felhasználhatók lesznek.

A naptelep a tudomány újabb jelentős ajándékául ígérkezik életünk szebbé, könnyebbé tételére.

Borítóképen: A Szovjetunió Tudományos Akadémiája Energetikai Intézetének egyik napenergiát felhasználó készüléke. A tükör átmérője 10 m.

Legyen Ön is előfizetőnk!

Független épületvillamossági szaklapként a hiteles szakmai újságírást tűztük zászlónkra. Előfizetésével kifejezheti elkötelezettségét az épületvillamosság és a minőségi újságkészítés iránt, egyúttal a mi munkánkat is támogatja. Az előfizetésre több konstrukciót kínálunk, hűséges olvasóinkat pedig kedvezményrendszerrel támogatjuk.

Érdekel az előfizetés

EnergetikaNapelemNapenergiaTörténelem

Kapcsolódó

A napelemgyártás kulisszatitkai I.

A napelemgyártás kulisszatitkai I.

Minden napelem egyforma?

Ez a cikk jelenleg csak előfizetőink számára érhető el Előfizetek

A napelemgyártás kulisszatitkai II.

A napelemgyártás kulisszatitkai II.

A szolár üveg és a hátlapfólia napelemteljesítményre gyakorolt hatásai

Ez a cikk jelenleg csak előfizetőink számára érhető el Előfizetek