Megújulók

A napenergia hasznosítása I.

2010/3. lapszám | Kiss Tibor |  7432 |

Figylem! Ez a cikk 16 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Az emberiség ősidők óta hasznosította a Nap Földre érkező sugárzását. Mivel a földi élet alapja a nap sugárzása – az összes élőlény ehhez igazítja az életmódját, ritmusát –, természetes volt annak hasznosítása is. Az ókori Egyiptomban például isteni tulajdonságokkal is felruházták a Napot, mint égitestet.

Amint az iskolai tanulmányaink során mi is megtanultuk, a napfény összetett sugárzás. Egy üvegprizmával a sugárzás könnyen különféle alkotószíneire bontható. Itt azonban meg kell jegyezni, hogy a nagy távolság miatt a Nap sugárzását párhuzamos nyalábnak tekintjük, holott valójában nem az. A közelmúltban azonban bárki számára ismertté vált, hogy a Holdon készült felvételeken megfigyelhetők a rendkívül éles határvonalak a fény és árnyék között, ami igazolja azt, hogy a sugárzás mégis párhuzamosnak tekinthető. Ha tehát a sugárzást színeire bontjuk, akkor ún. színképet kapjuk (spektrum).
Számunkra azonban – jelen elemzésben – a sugárzás felhasználható energiatartalma az érdekes. Az 1. ábrán a függőleges tengelyen látható a sugárzás intenzitása, míg a vízszintes tengelyen a hullámhossza, mikronban mérve. A kék jelű oszlop tartalmazza az emberi szem számára látható fény tartományát, az ettől balra lévő rész az ún. UV, azaz ibolyántúli színeké, míg a kék oszloptól jobbra lévő rész az infravörös sugárzás. Számunkra ez a rész a különösen érdekes tartomány.

Meg kell még jegyezni azt is, hogy például az állatok szeme más hullámhosszúságra is érzékeny. A rovarok egy része jól látja az UV-sugárzást, míg másik részük az infravöröset, például a bagoly (sajnos a szúnyogok is ide tartoznak).
Ha megvizsgáljuk a teljes spektrum energiatartalmát, az adódik, hogy azt 46%-ban a vörös és infravörös tartomány adja. A napenergiás alkalmazásoknál a közvetlenül elektromos áramot termelő napelemek (PV) csak a látható fény tartományt tudják hasznosítani, ezért aránylag alacsony a hatásfokmutatójuk, 8-15% körül. Az ún. napkollektorok viszont a hőtartományt hasznosítják, így hatásfokuk elérheti a 96%-ot is.
A napelemekről csak egy megjegyzés. Az elv kidolgozója Albert Einstein – akkor még – német fizikus volt, aki ezért kapta meg 1921-ben a fizikai Nobel-díjat.

Gyakorlati alkalmazások
Jelen elemzésben csak az utóbbi elemeket, tehát a napkollektorok alkalmazását tárgyaljuk, kiegészítve a kapcsolódó megoldásokkal.
Amint a bevezetésben említettük, a napenergia hasznosításánál a Nap sugárzó energiáját hasznosítjuk (2. ábra). A sugárzásos hőcsere viszont fizikai alapfogalom, amelyre vonatkoznak az alaptörvények, például az, hogy a sugárzás a melegebb hely felől indul el a hidegebb hely felé, addig, amíg ki nem egyenlítődik a hőmérséklet. Viszont ha az elnyelő felületünket, abszorbert eléri a sugárzás, az is melegedni fog, és visszafelé is sugároz (Kirchoff 1. törvény).
A sugárzás elsősorban a felületi hőmérséklettől függ. A felső diagramon láthatjuk azt az esetet, amikor a szokványos anyagokat használjuk elnyelő felületként, egy 100 °C-on sugárzó esetben. A sugárzás ugyanolyan mértékben érvényesül visszafelé, csak egy hosszabb hullámhosszon.
Szerencsére van egy anyag, amely a különféle hullámhosszakon másképp engedi át magán a sugárzásokat, ez pedig az üveg. A közismert üvegházhatás úgy alakul ki, hogy az üvegen bejutó sugárzás elnyelődik az üveg mögött elhelyezett felületeken, amely elkezd sugározni. Viszont ez a sugárzás már hosszabb hullámhosszon jelenik meg, amelyet az üveg nem enged át. Sajnos a műanyagok egyike sem rendelkezik ezzel a tulajdonsággal, még a napsugárzást leginkább elviselő polikarbonát sem. Tehát növényházat építeni gyakorlatilag csak üvegfedéssel érdemes.

A technika fejlődése során a ’70-es években kezdték kifejleszteni az ún. „szelektív abszorbereket”, majd utána a „magas szelektivitású abszorbereket”. Az eredmény nagyon érdekes lett, mert az említett visszasugárzást sikerült lecsökkenteni 5% körüli értékre, amely a felső diagram ábrázolásában a barna területet lecsökkentette a piros színnel jelzett területre. A gyakorlati megoldásokban tehát egy hőhasznosító napkollektor üvegfedéssel készül, amely alatt egy magas elnyelő, alacsony visszaverődési képességű fémlemez van, melynek hátsó felületére fémes kapcsolattal van rögzítve például egy folyadékos csőkígyó vagy rács.
Abszorberlemezként az USA-ban először fekete krómbevonatos vékony vörösrézlemezeket használtak, majd az európai fejlesztéseknek köszönhetően jelenleg a titánbevonatos vörösréz- vagy alumíniumlemezek a használatosak. Sőt újabban, a korszerű technológiáknak köszönhetően, a magas szelektivitású titánbevonatos alumíniumlemezek hátsó felületére vörösréz csőrendszert hegesztenek lézer-ponthegesztéssel.

A napkollektorok hatásfokát úgy lehet tovább javítani, hogy a maradék hőleadást a környezet felé a minimálisra csökkentjük.
A 3. ábrán szereplő hőfényképen egy folyadékot melegítő sík-napkollektor hőviszonyait láthatjuk egy tavaszi reggelen.
A napkollektor hőt tud leadni lefelé, ezért jó minőségű, de hőálló hőszigetelést kell tenni az abszorberlemez alá, ami kőzetgyapot szokott lenni 50-60 mm vastagságban. A tartószerkezet oldal irányú hőelvezettésének csökkentésére dupla – légréssel ellátott – oldalfalat lehet kialakítani. Az üveg irányába történő hőleadás meggátolására dupla üvegezés vagy az abszorber vákuumba történő helyezése a megoldás. Az újabban kedvelt üveg vákuumcsöves kollektoroknál azonban a hősugárzást a vákuum nem akadályozza meg, viszont a hővezetést igen.

A fentiek alapján kialakított napkollektor energiamérlege tehát a 4. ábrán láthatóak szerint alakul.
A hasznosítható hőenergiát azután elvezethetjük a kollektorból folyadékkal vagy levegővel is. A vákuumcsöves kollektorok kapcsán azonban meg kell jegyezni még valamit. Az Európai Unióban az EN 12975-2:2001 számú direktíva rögzíti a napkollektorok vizsgálatának, minősítésének rendjét. Ebben a legkritikusabb az ún. „sokk-teszt”. A kollektort felmelegítik 200 °C-ra – ami nyáron szinte mindennapos eset –, és megfelelő távolságból jéggolyókat lőnek rá. Az 5. ábrán, az elvi elrendezési rajzon látható a vizsgáló berendezés felépítése. A 3-as jelzésű csövön lövik ki a jéggolyókat a 4-es jelű napkollektorra (napelemre). Ezt az üveganyagnak ki kell bírnia, mert ez tipikusan a nyári jégeső esete. Sajnos manapság sok esetben csak a kollektor vételárát nézik, ahelyett, hogy meggyőződnének a mellékelt minősítési dokumentumok valóságtartalmáról. A magyar közmondás itt is érvényes: „olcsó húsnak híg a leve”. Sok esetben még a gyártótáblán szereplő adat sem igaz, például az abszorberfelület nagyságáról. Pedig nagyon egyszerű ellenőrizni.

A témához még annyi megjegyzés: eléggé elszomorító az a helyzet, hogy a vákuumtechnikában sokáig a Tungsram révén világelső Magyarország ezt a piaci szektort is kiengedte a kezéből, és hagyta, hogy Kína legyen az első számú exportőr – annak ellenére, hogy még a gyártó gépsorok is rendelkezésre állnak.
A fenti elemzésből az is látható, hogy maga a kollektor milyen hőmérsékleten működik üzemszerűen. Minél magasabb ez a hőmérséklet, annál nagyobb a veszteség. Egy bizonyos határ fölött tehát már nem érdemes ezt a megoldást választani.

A továbbiakhoz viszont meg kell vizsgálnunk a Nap látszólagos mozgáselemeit is. A Föld forog tengelye körül nyugatról keleti irányba, ezért „kel fel” a Nap keleten. A forgás időtartama 1 nap, némi kis eltérésekkel. Közben halad a Nap körüli ellipszis pályáján. A Föld egyenlítői síkja mintegy 23,5 fokkal hajlik a Föld pályasíkjához (azaz az ekliptika síkjához) képest, amelyben a Nap található. Ez okozza az éghajlatváltozásokat egy évben, a Nap körüli mozgás közben. A forgástengely helyzete sem abszolút fix szög, hanem kicsi kúpot leíró mozgásban van. Nagyjából úgy viselkedik, mint egy pörgettyű. A Föld és a Nap egymáshoz való viszonyának meghatározásában tehát elég sok tényezőt kell figyelembe venni (6. ábra).
A napenergia-hasznosítás hatásfokának növeléséhez viszont elsősorban követnünk kell a Nap látszólagos mozgását, minden nap reggeltől estig, és az évszaktól függően is.

Tehát a Föld Nap körüli mozgása miatt a Földre érkező sugárzás helyzete folyamatosan változik, bolygónk különböző részein más és más. Ha például az Egyenlítő alatt tartózkodunk (a cikk szerzőjének volt erre módja ottani munkavégzése idején), akkor azt fogjuk látni, hogy egyszerűen reggel keleten kel fel a Nap, dél körül pont a fejünk fölött lesz, míg este Nyugaton bukik a horizont alá. Ha pedig valamelyik sarkon tartózkodunk, akkor nyáron sosem nyugszik le a Nap, hanem a horizont közelében látjuk. Magyarország az északi féltekén helyezkedik el a 46-48. szélességi fokok és a 16,5-22,5. hosszúsági fokok között. Ezért a legnagyobb magassági szögben nyáron kb. 66°-on látszik június 22-én, a zenit idején Budapest, míg a legalacsonyabb szögben, kb. 19,25°-on december 22-én. (Bővebben Dr. Kuba Gellért: Benapozás című munkájában, IPARTERV tervezési segédlet, 1975.)

A napmagassági szög mellett azimut szögnek nevezzük a keletről nyugatra való pályamozgást. Megjegyezném, hogy a legpontosabb pálya-meghatározást a napóra módszerrel tudjuk elérni. Egy meghatározott hosszúságú botot leverünk a földbe – pontosan függőlegesen –, és meghatározott időnként, például 10 percenként megjegyezzük a bot végének helyét például egy lefektetett papíron. Vigyáznunk kell a pontos idő meghatározásával. A rádió által bemondott „zónaidő” – főleg a nyári és téli időbeállítás miatt – eltér a csillagászati időtől. A mi zónaidőnk egyébként is például valahol Bécs térségében érvényes (az 1. ábrán látható, hogy az ország keleti és nyugati vége között kb. 30’ a valódi időeltolódás).

Akkor van a Nap a legmagasabban, amikor a bot a legrövidebb árnyékot mutatja. Ez a csillagászati zenit idő. A Nap mozgásának pontos értékeit táblázatokba foglalták, azok fellelhetők az irodalomban. A GPS rendszerek megjelenése óta pedig nagyon könnyű a helyzet-meghatározás.
A napkollektor/napelem-rendszerek hatásfoknövelésének a legegyszerűbb módja tehát a Nap látszólagos mozgásának követése. Ezzel a módszerrel kb. 20-25%-os teljesítménynövekedés érhető el. Két lehetőség adódik: az abszorberek mozgatása 1 vagy 2 tengely körül. De van példa a kettő kombinálására is.
A kivitelezésnél a legnagyobb problémát - minden esetben - a nagy szélerők okozzák. Ezért általában nagyon erős acélszerkezeteket alkalmaznak.
A másik megoldás az abszorber felületén való napsugárzás-koncentrálás. Miért van szükség valójában a sugárzás koncentrálására? Szinte minden esetben a magas hőmérséklet elérése érdekében. Valójában csak a koncentrálás mértékétől függ a kialakuló – néha rendkívül magas – hőmérséklet. Vannak kifejezetten olyan technológiai esetek, amikor így lehet előállítani legkönnyebben az elvárt nagyon magas hőmérsékletet, például wolfram megolvasztására.

Ha energiatermelésre akarjuk használni a kialakuló magas hőmérsékletet, akkor erőművi alkalmazásokra kell gondolnunk. A legegyszerűbb módszer, hogy a magas hőmérséklettel magas nyomású vízgőzt állítunk elő, amivel azután gőzturbina meghajtása által elektromos áramot termelhetünk. Először az Egyesült Államokban építettek erőműszinten egy kísérleti berendezést síktükrök felhasználásával. Sivatagi környezetben egy több tíz méter magas torony tetején helyezték el az abszorbert, olvadt só keringtetésével. A torony előtt felszerelt több száz síktükör vetítette a Nap sugárzását a torony teteje felé. Minden tükör két tengely körül volt mozgatva egy központi számítógép vezérlésével.
Az olvadt sólé segítségével termeltek magas nyomású gőzt turbina hajtására. Hasonló elven építettek nagyméretű berendezést Spanyolországban is, több ezer síktükör felhasználásával.
Hazánkban hasonló berendezés épült meg kis méretben, családi ház-szinten Budapest közelében, 2005-ben (a szerző tervezésében és kivitelezésében). Itt nem egy torony tetejére, hanem lefelé vetítenek a tükrök. A síktükrök által vetített fény hasonló, mintha több diavetítővel vetítenénk képet ugyanarra a célfelületre. A szélső tükrök képe vetületben jelenik meg, de a vezérlés mindig a célfelületen tartja a vetítéseket.
Előnye ennek a rendszernek, hogy csupán bevilágítási célokra is alkalmazható, például olyan helyekre, ahova soha nem süt be Nap a domborzati viszonyok miatt. Hátránya a bonyolult szabályozás és a nagy szélerők miatti erősített kivitelezés.

Szintén az Egyesült Államokban épült meg az első ún. „vályú” (trough) tükrökre épült naperőmű. A szintén sivatagi körülmények között megvalósított berendezés földre helyezett acélszerkezeten működik. Nagyméretű hajlított tükröket helyeztek rá, amelyek tükrösített üvegből készültek – kialakítva a parabola formát – 4-5 m szélességben. A parabola-metszet fókuszába helyezték el az abszorbercsövet, üvegcsőbe helyezett vákuummal körülvéve. A csőben termoolajat keringtettek 450-500 °C-os hőmérsékletet elérve. A termoolaj melegíti fel utána a nagy nyomású vízgőzt egy hőcserélőben. Nagy előnye ennek a rendszernek, hogy naponta csak egy tengelyen kell mozgatni a tükröket K-Ny-i irányban, ha a „vályú” hossztengelye É-D irányban helyezkedik el. A vezérlés is nagyon egyszerű, mert a fókusz környékére helyezett fényérzékelőkkel lehet a mozgatást iránytani. A rendszer ott működik jól, ahol kevés csapadék esik.
Ha csapadékos helyre telepítik - a svéd megoldás a járható út –, egy üveggel van lefedve a vályú teteje. Felvetődhet a kérdés, hogy miért nincsenek hasonló kivitelű, közvetlenül áramot termelő napelem-megoldások. Voltak próbálkozások, azonban tudomásul kell venni, hogy a napelem félvezető anyagokból készül, amelyek a hőmérséklet növekedésével egyenes arányban csökkenő teljesítményt produkálnak. Sőt egy bizonyos hőmérséklet fölött – kb. 80 °C – tönkre is mennek. Aktív hűtést kell alkalmazni, a bekerülési költségek azonban rövid úton felemésztik a várható eredményt.

Folynak jelenleg is ilyen kísérletek. A legjobb eredményeket szintén az USA-ban érték el ún. „többrétegű félvezetőkkel”. A koncentráció mértéke a jellemző szám ezeknél az alkalmazásoknál. Az elnevezés szerint „…hány Nap van koncentrálva…” a felületen. Jelenleg több ezres számnál tartanak. A fejlesztések egyébként nem elsősorban a földfelszíni alkalmazásokat célozzák.
A fentiekből is látható, hogy először is azt a kérdést kell feltenni, hogy miért építsünk napsugár-koncentráló berendezést? Ugyanis ezt csak akkor érdemes, ha nincs más módszer: melegvíz-termelési és fűtési célokra teljesen értelmetlen. A régi mondás érvényes itt is – minél egyszerűbb egy szerkezet, annál jobb. A tető fölé helyezett napkollektoroknál és napelemeknél nincs hálásabb szerkezet – persze csak akkor, ha jó minőségűek. Az ilyen jellegű beruházások csak akkor térülnek meg, ha hosszú ideig kifogástalanul működnek. A várható élettartamot minimum 15-20 évben lehet meghatározni. Hosszabb távú tapasztalat pedig még nincs.
Várható, hogy a közeljövőben szaporodni fognak a hasonló elven működő naperőművek. Az ún. „Szahara projekt” már a konkrét előkészítés állapotában van, a nagy, elsősorban német vállalatok irányításával. Az ott termelt áramot Európába kívánják szállítani tenger alatti kábeleken.

Hazánk helyzete egyébként nagyon jó a napenergiás alkalmazásokhoz. Minden ilyen projektet támogat az Európai Unió, kb. 50%-os arányban. Az Alföld egyes területein lenne értelme hasonló parkokat létesíteni, például a Hortobágyon vagy Gyula térségében. Országosan ott a legmagasabb a benapozott órák száma éves szinten (a gyulai víztorony tetején található az MTA Napfizikai Obszervatóriuma).
A beruházások jelenleg valóban aránylag sokba kerülnek, hosszabb távon azonban mindenképpen megtérülnek. Nem tudják kiváltani az alaperőművek teljesítményeit, de egyre inkább be tudnak segíteni az ország energiatermelésébe, teljesen tiszta módon, mindenféle káros anyag kibocsátása nélkül és biztonsággal. Mivel hazánk vállalta az EU-n belül, hogy évente bizonyos százalékban növeli a megújuló energiák felhasználásának arányát, minden lehetséges módszert alkalmazni kellene, lehetőleg az erdők kiirtása nélkül.

---