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/
