A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS RÖVID TÖRTÉNETE

Ujfaludi László
Eszterházy Károly Főiskola, Eger

Butti és Perlin könyve [1] a napenergia hasznosításáról olyan, mint egy hősköltemény: hősök jönnek, győznek, majd elbuknak, aztán új hősök lépnek a helyükre. A tudománytörténetnek talán ez a fejezete a legtragikusabb: itt volt a legtöbb kudarc és bukás. A civilizáció története során volt már néhány energiaválság, ilyenkor szinte mindig a napenergia jelentette a kiutat. Aztán mindig jött valamilyen új, olcsó energiaforrás és a napenergia nyomban "gazdaságtalanná" vált, az érdeklődés elfordult tőle. Az újabb válság újabb hősöket szólított elő, akik újra kezdték a küzdelmet az elődök eredményei nyomán, azokat továbbfejlesztve. Mert a fejlődés a napenergia-hasznosítás 2500 éves története során töretlen ívet ír le.

Az energiatudatos építészet kialakulását Görögországban a tüzelőanyag-hiány kényszerítette ki az i.e. 5. században. Korábban rengeteg fát használtak hajóépítésre, fűtésre és a fémek kiolvasztására (utóbbira főleg faszén formájában). Az erdőket a görög szárazföldön, de a szigetek jó részén is az i.e. 5. század közepéig gyakorlatilag teljesen kiírtották. A fa távolabbi területekről történő importja viszont igen költséges volt, ezért - egyéb energiahordozó nem lévén - kényszerűségből új, napenergia-hasznosításon alapuló építészetet fejlesztettek ki.

Egy tipikus görög lakóház ebben az időben déli tájolású volt, ezen az oldalon előreugró tetőszerkezettel, amelyet oszlopok támasztottak meg (porticus). A tetőszerkezet megakadályozta, hogy a nyári napsütés a belső helyiségeket melegítse, az alacsonyan járó téli nap viszont besütött az épületbe és melegítette az oszlopcsarnok mögötti helyiségeket. Az északi oldalon nem, vagy csak alig voltak nyílászárók, és a falat vastagra építették, ezáltal biztosítva a hőszigetelést a hideg évszak északi szelei ellen. Ebben az időszakban vált szállóigévé az a Szókratésznek tulajdonított mondás, hogy "A jó lakóház nyáron hűvös, télen meleg". A görögök még nem ismerték az üveget, így nyílászáróikat nem tudták átlátszó védőfelülettel ellátni, ennélfogva a leírt tájolásból eredő hőnyereség a téli hónapokban igen szerény lehetett.

Görög városokban épültek a világon az első példaértékű közösségi épületcsoportok (ma lakótelepnek neveznénk őket), amelyeket az energiatudatos építészet jegyében terveztek. Olynthosz a görög szárazföld északi részén fekvő város volt, ahol télen a hőmérséklet gyakran süllyedt fagypont alá. A város egy fennsíkon 2500 lakosa számára lakótelepet épített. Az utcák észak-déli és kelet-nyugati tájolásúak voltak, minden ház egyenlő mértékben részesülhetett a napenergiából, és a szorosan (sorház jelleggel) egymás mellé épített lakóegységek mindegyike déli tájolású volt, nagyjából a fent leírt alaprajzi elrendezéssel. Priéné a kis-ázsiai partvidéken épült város volt, Pergamontól délre. A városban egy, az olynthoszihoz hasonló lakónegyedet építettek. A felszíni adottságok itt még kedvezőbbek voltak, mivel a lakótelepet északról egy hatalmas sziklafal határolta, védelmet nyújtva a téli hideg szelek ellen. Délosz szigete fontos stratégiai pont volt mind kereskedelmi, mind hadászati szempontból. Az erdők korábbi kivágása és a terület jellege itt is szükségessé tette a napenergia építészeti alkalmazását. A terep azonban erősen sziklás volt, ezért nem lehetett maradéktalanul alkalmazni a két említett városnál követett alapelveket.

A rómaiak - a görögökhöz hasonlóan - eleinte igen sok fát használtak fűtési célokra, de a fejlettebb építészeti technika miatt (sok gazdag polgár házában központi fűtés vagy padlófűtés volt) még nagyobb ütemben írtották az erdőket, mint a görögök. Miután az Appennin-félszigeten az erdők gyakorlatilag eltűntek, Germániából, a Kaukázusból és más távoli helyekről kellett a fát importálni. A probléma megoldását itt is a napenergia építészeti alkalmazása jelentette, amely jelentős fejlődésnek indult az i.sz. 1. századtól.

A rómaiak nem egyszerűen átvették a görög szoláris építészetet, hanem továbbfejlesztették azt. Mivel a birodalom kiterjedése igen nagy volt, a különböző klímájú területekre más-más építészeti megoldásokat dolgoztak ki. (Például Észak-Afrikában a házakat részben északi tájolásúra építették, a hűvösebb klímájú európai területeken viszont a görög minta szerint alakították ki az épületeket.) A különböző régiókra vonatkozó alapelveket Vitruvius foglalta össze híres könyvében. Igen komoly előrelépés volt a görögökhöz képest, hogy a rómaiak ismerték az üveget, és kiterjedten használták a csillámlemezt is a nyílászárók szigetelésére. Ezáltal az üvegházhatást is hasznosítani tudták az épületek hőtárolására.

A közfürdők Rómában a legnépszerűbb közösségi találkozóhelyek voltak, amelyekből az i.sz. 1. századtól igen sok épült a fővárosban, de a birodalom más területein is. Ezek a társadalmi élet, a fürdés, a sport központjai voltak, amelyekben esetenként több ezer ember tartózkodott. A nagyméretű üvegfelületeket a fürdőépületeknél különösen gyakran használták az épület hőtartásának fokozására.

A napenergiához való jogot az állami törvények is szavatolták minden (szabad) római polgárnak. Így például korlátozásokat írtak elő az épületek egymástól való távolságára, magasságára stb., figyelembe véve azt a szempontot, hogy a szomszédos épületeket ne árnyékolják. Ezeket a törvényeket véglegesen és igen részletesen Justinianus törvénykönyve rögzítette. A történelemben ez volt az első eset, hogy a napenergiához való jogot törvényileg szabályozták.

A görög és a római szoláris építészet eredményei a középkor és a reneszánsz időszakában szinte teljesen feledésbe merültek. A napenergia alkalmazása jórészt fantazmagóriákban merült ki. Egyik ilyen fantasztikus ötlet volt a fókuszáló tükrök és lencsék harcászati célokra történő alkalmazása. Hadi mérnökök álmodoztak olyan tükrökről, lencsékről amelyekkel az ellenséges hajóhadat felgyújtják, az ellenséges várost megsemmisítik stb. Ezek az elképzelések abból a legendából indultak ki, amely Arkhimédészről terjedt el, aki - állítólag - i.e. 212-ben fókuszáló tükrökkel felgyújtotta a Syracusa ellen támadó római hajókat.

Fókuszáló tükröket már az ókorban is alkalmaztak, elsősorban kultikus célokra. Ilyen tükrökkel gyújtották meg például az áldozati oltárok tüzét. Az említett harcászati elvárások nyilvánvalóan irreálisak voltak, ennek ellenére olyan neves természettudósok is foglalkoztak hasonló tervekkel, mint Roger Bacon és Leonardo da Vinci. Bacon az 1200-as években javasolta, hogy a Szentföldre utazó keresztes hadak fókuszáló tükrökkel gyújtsák fel az ellenük felvonuló szaracén (arab) hadakat. Az ötletet az egyház ellenezte, mert benne az isteni akarat által adományozott napsugarak megengedhetetlen eltérítését látták, és szentségtörésnek tartották, Bacont börtönbe vetették.

Az 1600-as évektől egyre nagyobb méretű gömb, később parabola alakú tükröket építettek; nem ritkák a 2-3 m átmérőjű tükrök sem. Ezek elsősorban demonstrációs célokat szolgáltak. Problémát okozott, hogy az egyetlen darabból készült tükrök pontos felületkiképzése igen nehéz volt, a tükrök pedig súlyosak voltak. Ha viszont a tükröket vékony lemezből készítették, sérülékenyek voltak. Jelentős előrelépés volt az 1700-as évek végén Peter Hoesen, drezdai ezermester újítása, aki hatalmas gömbtükrét szegmensekből állította össze. A tükör szögállását változtatni lehetett, és kerekekre szerelve hordozható demonstrációs eszközzé vált. Hoesen sok sikeres bemutatót tartott tűzgyújtásra is alkalmas tükrével.

A 16. századtól Nyugat-Európában gyorsan terjedt az üvegházi kertészeti kultúra. Korábban az egyház elítélte az üvegházak alkalmazását, mivel az évszakoktól jórészt független üvegházi termesztést a természet isteni rendjébe való beavatkozásnak tekintették.

Az üvegházi kultúra elterjedését erősen motiválták a nagy földrajzi felfedezések. Európába ezek nyomán rengeteg délszaki növényt hoztak be, amelyeket csak üvegházi körülmények között lehetett szaporítani és termelni. Az üvegházak először Flandriában és Hollandiában tűntek fel a 16. században, ezt követően Franciaországban és Angliában is gyorsan elterjedtek, kezdetben főleg kertészeti célokra.

Ugyanebben az időben kezdték alkalmazni a síkba kiterített gyümölcsfa- és szőlőültetvényeket, amelyek egy (hőtároló) téglafalhoz voltak rögzítve és gyorsabb növekedést mutattak, mint a hagyományos kialakítású növények. Franciaországban a 17. században rézsűs kiképzésű támasztófelületeket alakítottak ki, amelyekre a szőlő vagy a fák ágait ráfektették, ezáltal biztosítva a kedvezőbb beesési szöget, és kihasználva az alátámasztó felület hőtároló kapacitását. Egyes kertészek változtatható szögű, rácsos támaszfalakat is alkalmaztak a mindenkori legkedvezőbb besugárzási állapot biztosítására.

A 18. század végén az üvegházak hőtárolására is újszerű megoldásokat találtak. A napközben besugárzott hőt téglafalakban tárolták a hűvös éjszakai órákra, egy másik megoldásnál a meleg levegőt külön kamrában tárolták, majd éjjel konvektív áramlással visszavezették az üvegházba. Angliában a 19. század végén jöttek divatba a lakóépületekhez csatolt, rendszerint déli tájolású üvegházak (conservatory), amelyekben dísznövényeket tartottak (1. ábra). Az üvegházakat esetenként nyílászárókkal a lakóépületekhez kapcsolták. Így napsütéses tavaszi vagy őszi napokon az épület fűtéséhez is jelentősen hozzájárultak. Ezt elsősorban a gazdagok engedhették meg maguknak. Később a városi, emeletes lakótömbök lakásához is gyakran kapcsoltak kis méretű, üvegfalú helyiséget, amely a télikert funkcióját töltötte be.

Városi beépítésnél nem mindig lehetett megoldani a napenergia szempontjából legkedvezőbb déli tájolást. Emiatt az üvegházak egy része nem működött kielégítően. Az első világháború után ezek a városi téli kertek szinte teljesen kimentek a divatból, és az egész üvegházkultusz hanyatlásnak indult.

Az üveggel határolt nyílászárók hőtartó hatása - az üvegházhatás - az ókortól ismeretes volt. Tudományos szintű vizsgálata azonban csak a 18. század második felében kezdődött el. 1767-ben Horace de Saussure, francia-svájci természetbúvár először végzett kísérleteket az üvegborítások hőfejlesztő hatásának vizsgálatára. Kísérleteihez jó szigetelésű, nagy méretű fadobozt készített, amelyre több réteg üveglefedést lehetett rögzíteni. Készülékét "forró doboz"-nak nevezte. A készüléket napra helyezve a legbelső térrészben 88 °C-ra emelkedett a hőmérséklet. Kisebb további változtatással már 109 °C-t lehetett elérni.

Sir John Herschel, a neves csillagász hasonló forró dobozt készített, amelyet dél-afrikai csillagászati expedíciója során sütési-főzési célokra használt. Nem sokkal később Samuel Langley kimutatta, hogy több rétegű üvegborítással ellátott forró dobozban mélyen a fagypont alatti külső hőmérsékleten, hó borította vidéken is 100 °C fölötti hőmérsékletet lehet elérni derült, napsütéses időszakokban.

A forródoboz-kísérletek jelentősége abban állt, hogy technikai alapjául szolgáltak a későbbi, melegvíz előállítására alkalmas sík napkollektoroknak:

A 19. század elején kezdődött az a nagyarányú ipari fejlődés Nyugat-Európában, amelyet ipari forradalom néven tart számon a történelem. A fejlődés élharcosa Anglia volt, Franciaország szűkös szénkészletei miatt hátrányba került.

Augustin Mouchot, a fiatal matematikaprofesszor tours-i katedráját hagyta el, hogy 20 évet a napenergiaeszközök fejlesztésének szenteljen. Törekvéseiben az motiválta, hogy az energiahordozókban (akkor még) szegény Franciaországban a fejlődést a napenergia ipari léptékű hasznosításával lendítse fel. Alapos előtanulmányok után először három teljesen újszerű készüléket fejlesztett ki: napenergiával működő főző-, desztillálókészüléket és egy szivattyút. Mindhárom fókuszvonalas (vályú alakú) koncentráló kollektorral üzemelt. Ezek még kisebb méretű berendezések voltak, Mouchot célja azonban olyan kazán építése volt, amely az akkor használatban lévő gőzgépek működtetésére is alkalmas. 1874-ben Tours-ban bemutatta napkövető óraművel ellátott, rézlemezből készült napkazánját, amely egy csonka kúp alakú tükör fókuszvonalában helyezkedett el, a kazánt kívülről üvegborítással látta el az üvegházhatás biztosítása céljából. A 2,5 m átmérőjű reflektortükör szegmensekből készült, Peter Hoesen 100 évvel korábbi berendezésének mintájára. Mouchot napkazánja igen nagy sikert aratott, nagy nyomású gőzt állított elő, és egy 0,5 lóerős gőzgépet működtetett.

Mouchot felismerte, hogy Franciaországban a napsugárzás csekély volta és rapszodikus változása miatt nagyobb méretű gépi berendezések működtetéséhez sok napkazán lenne szükséges, amelyeknek igen nagy a területigénye. Franciaország ebben az időben vetette meg lábát Észak-Afrikában, ahol a besugárzási körülmények sokkal kedvezőbbek voltak, és Mouchot ezután néhány évig Algéri2ban végezte napenergia-kutatásait. Először néhány egyszerű, köznapi használatra szánt készüléket fejlesztett ki a francia idegenlégió használatára, többek között egy főzőkészüléket és egy vízdesztilláló berendezést.

Ugyancsak Algériában építette fel minden korábbinál nagyobb napkazánját, amelynek csonka kúp alakú reflektora 5 m átmérőjű volt. A kazánt az 1878. évi Párizsi Világkiállításon is bemutatták, ahol nagy feltűnést keltett (2. ábra). A berendezés gőzgépet működtetett, amely óránként több mint 2000 liter vizet szivattyúzott. Ugyanezzel a berendezéssel alkoholt desztilláltak, ételeket főztek, sőt egy hozzákapcsolt hűtőberendezés segítségével jégkockákat is előállítottak.

A párizsi siker után Mouchot visszatért Algériába, ahol elsősorban az energiatárolás problémája foglalkoztatta. Először különböző hőtároló anyagokkal foglalkozott, majd felfedezte azt az energiatárolási eljárást, amelyet mindmáig a legkorszerűbbnek tartanak: a vízbontást elektromos árammal. Az így fejlesztett hidrogén elégetésével biztosítható az energiaellátás az éjszakai órákra és a felhős napokra. Akkoriban még ismeretlen volt a napelem, ezért Mouchot termoelemekkel ,kísérletezett, hogy elektromos áramot termeljen. Ezek teljesítménye azonban igen kicsi volt, így ezt a zseniális ötletet nem sikerült valóra váltania, ez csak jóval később, közel 100 év múlva valósult meg. Időközben Franciaországban korszerűsödött a bányászat, olcsóbbá vált a szén, a napenergia lassan háttérbe szorult. Mouchot ezért 1880-ban visszatért matematikai munkásságához. Készülékeit azonban még sokáig használták Algériában.

Mouchot-nak ugyan nem sikerült Franciaországot a "napenergia korszakába" bevezetnie, munkássága mégis új korszakot nyitott. Átlépte azt a bűvös határt, amely a tudományos kutatás és a gyakorlati alkalmazás között húzódik. Az általa kifejlesztett eszközökkel sokféle módon bebizonyította, hogy a napenergia az emberiség jelentős energiaforrása lehet. Munkásságával megteremtette a modern szoláris technika alapjait.

Ezzel egyidejűleg Amerikában is jelentős előrelépés történt a napenergia hasznosításában. John Ericsson, svéd származású mérnök-feltaláló felismerte, hogy a fosszilis tüzelőanyagok kimerülése után a napenergia lehet a legjelentősebb energiaforrás. 1870-ben ezért felépítette első napenergiával működő gőzgépét (3. ábra), amely sok tekintetben Mouchot berendezéséhez hasonlított. Alapvető különbség volt, hogy Ericsson vályú alakú reflektort használt, amelynek fókuszvonalában viszonylag kis átmérőjű rézcső töltötte be a kazán szerepét, és üvegburkolatot nem alkalmazott a cső külsejére. A készülék többszöri tökéletesítése után a sorozatgyártásra és az eszköz forgalmazására akart áttérni, de ebben 1889-ben bekövetkezett halála megakadályozta.

A századforduló táján az Újvilágban is megnőtt az érdeklődés a napenergia iránt: Ericsson követői több módosítást végeztek az ő konstrukcióin és elsősorban olyan területeken népszerűsítették a napenergia rendszereket (például Arizonában), ahol igen nagy a sugárzó energia és a szárazság miatt nagy jelentősége van az öntözésnek. Több technikai változatban készítettek napenergiával működtetett öntözőrendszereket, amelyek bemutatóit nagy érdeklődés kísérte. Ezek a rendszerek mégsem terjedtek el széles körben, aminek két fő oka volt. Egyrészt építési költségük magasabb volt, mint az akkor forgalmazott hagyományos (széntüzeléses kazánnal üzemelő) rendszereké. Másrészt a reflektor igen nagy felületű, érzékeny berendezés volt; amely könnyen szennyeződött, erős szélben felborult és összetört; a hasonló balesetek is hozzájárultak a berendezés népszerűségének csökkenéséhez.

Frank Shuman, német származású autodidakta mérnök Philadelphiában élt. Elsőnek ő bizonyította be, hogy a napenergia ipari (erőművi) léptékű energiaellátásra is alkalmas lehet. Először a korábbi forró dobozokhoz hasonló berendezéseket használt hőfejlesztésre, a keletkezett hőt alacsony forráspontú folyadék (éter) forralására használta és a keletkező étergőzzel egy speciális, alacsony nyomású gőzgépet hajtott meg. Első bemutatói igen sikeresek voltak, berendezésével nagyteljesítményű szivattyúkat üzemeltetett. Shuman vérbeli menedzser volt, értett a reklámhoz és tudta, hogyan kell pénz szerezni további fejlesztéseihez. Vállalatot alapított, és részvényeket bocsátott ki a vállalkozás további finanszírozásának érdekében. A későbbiekben a forró doboz elvet egyesítette a koncentráló kollektorral, ezzel olyan magas hőmérsékletet tudott előállítani, hogy az már vízforralásra is alkalmas volt. Nagy méretű, vályú alakú kollektorokat alkalmazott vonalfókuszos rendszerben, ezekkel Philadelphiában egy 32 lóerős berendezést épített szivattyúk üzemeltetésére.

Ezután Shuman angol üzleti partnereket szerzett, akik támogatásával Egyiptomban 1913-ban (akkori viszonylatban) nagy méretű naperőművet épített. A kazán hőellátását 5 darab 70 m hosszú, 3,5 m széles vályú alakú parabolakollektor látta el, amelyek egymástól 7 m távolságra voltak. A naperőmű egy alacsony nyomású gőzgépet hajtott, amely szivattyúkat üzemeltetett. A hőtárolást nagy méretű, szigetelt tartállyal oldották meg, így a szivattyútelep 24 órán át üzemelt. A teljesítmény 55 lóerő volt és a berendezés percenként 25 m³ vizet szivattyúzott. A berendezés területigénye a hagyományos kazánegységekhez képest igen nagy volt, lóerőnként közel 20 m² és építési költsége egy hagyományos kazánénak a kétszerese volt. Jelentős üzemanyagköltség-megtakarítása révén azonban a többletköltség az előzetes becslések szerint 2-3 év alatt megtérült, a fenntartási költségek pedig jóval kisebbek voltak, mint a hagyományos kazánoké. A napenergia ilyen nagy léptékű sikeres alkalmazása nyomán Anglia 1914 elején nagy földterületet ajánlott fel Egyiptomban Shuman munkacsoportjának kísérleti öntözőtelep létesítésére. Németország ugyanekkor jelentős összeget helyezett kilátásba nyugat-afrikai gyarmatán építendő naperőmű céljára.

Shuman nagyra törő terveiben már egy 55 ezer km² kiterjedésű napkollektormezőről álmodott a Szaharában, amellyel évi 270 millió lóerő teljesítményt lehetett volna megvalósítani (ez a világ 1909. évi teljes üzemanyag-kitermelésének felelt meg). Az első világháború kitörése azonban ezeket a terveket keresztülhúzta, Shuman a háború alatt meghalt. A háború éveiben az olajipar gyors fejlődésen ment keresztül, az üzemanyagárak erősen lecsökkentek, és az általános érdeklődés ismét elfordult a napenergia alkalmazásától.

Az ókori Rómában a fürdőkultúra igen magas szinten állt. A középkorban azonban ez a kultúra, egészen az újkor kezdetéig teljesen kihalt. A rendszeres tisztálkodás igénye csak a 19. században éledt újra, részben az infrastruktúra korszerűsödése, részben Pasteur mikrobiológiai felfedezései révén, amelyek nyomán világossá vált; hogy a fertőző betegségeket mikroorganizmusok okozzák. A 19. század közepétől Európában és Amerikában a fenti okok következtében általánossá vált az igény a melegvízzel történő rendszeres tisztálkodásra. Az előkészületek azonban igen hosszadalmasak és nehézkesek voltak: fa- vagy széntüzelésű vízmelegítő kazánokat használtak, amelyek felfűtése több órát vett igénybe. Ezért a fürdés általában heti egy alkalommal történő, hosszas szertartás volt.

A fejlődés - mint sok más esetben - most is Amerikából indult ki. A napenergia használata kezdetben abból állt, hogy feketére festett tartályokat helyeztek a háztetőkre, amelyekből - napsütéses idő esetén - néhány óra múlva melegvizet nyertek (nagyjából úgy működtek, mint a mostanában használt, fekete hordóhoz csatolt kerti zuhanyozók). Ezek a tartályok azonban, mivel nem volt megoldva a hőtárolás, igen gyorsan lehűltek.

Clarence Kemp 1891-ben Baltimore-ban (Maryland állam) újítást vezetett be: a fekete tartályokat üveglefedésű kazettába helyezte, így az üvegházhatás közbeiktatásával a készülék hőtartása sokkal jobb lett. Létrehozta a "Climax" vízmelegítő berendezést, amely hatalmas üzleti siker lett. A készüléket a vízigénytől függően négy különböző méretben gyártotta. Kemp felismerte, hogy készüléke a napsütéses Kaliforniában sokkal hatékonyabb lehet, ezért ott is forgalmazni kezdte, igen nagy sikerrel.

A későbbiekben Charles Haskell tökéletesítette a készüléket; a hengeres tartályok helyett - amelyekben a vastag vízréteg lassan melegedett át - nagyobb felületű, lapos tartályt alkalmazott, ezáltal a víz felmelegedése jóval gyorsabbá vált. Ez az új változat - a tökéletesített Climax vízmelegítő - rendkívül népszerű lett. A századforduló táján készült kaliforniai városképeken (Los Angelesben és Pasadenában) látható, hogy az épületek jelentős hányadában használták a tetőre szerelt vízmelegítő készüléket.

1909-ben Wiliam Bailey kifejlesztette a nagy teljesítményű, éjjel-nappali melegvíz-szolgáltatásra alkalmas ("Day and Night" típusú) készüléket. Ebben a korábbi, javított Climax-típusú készülékhez egy nagy méretű tárolótartályt is kapcsolt. A tartály magasabban helyezkedett el, mint a vízmelegít6 kollektor, így a konvektív áramlás a melegvizet a tartályba emelte. A hideg vizet a tartály alján a fogyasztás ütemében egy mechanikus automataszelepen át pótolták. A Day and Night rendszer egész Kaliforniában elterjedt és az 1920-as évek végéig használatban volt.

Az 1920-as, 30-as években a napkollektorgyártás virágzó iparág volt Kaliforniában és Floridában. Az akkori méretekhez képest nagy üzemekben folyt a gyártás, és igen jelentős volt az üzleti forgalom. A konstrukción további tökéletesítéseket végeztek: a vizet vékony csőkígyón vezették át a kollektordobozban és keringető szivattyút építettek be. Olyan területeken, ahol télen a hőmérséklet fagypont alá csökkent, kétkörös megoldást alkalmaztak. Ezeknél a háztetőn elhelyezett primer körben fagyálló folyadék keringett, amely hőjét egy hőcserélőn keresztül adta át a szekunder körben áramló víznek, ez egy tároló tartály közbeiktatásával már a használati melegvizet szolgáltatta. A 30-as évek végére a gyártócégek között jelentős üzleti verseny alakult ki.

A második világháború után az Egyesült Államokban a napkollektor-iparág hanyatlásnak indult. Ennek több oka volt; egyrészt emelkedett a gyártáshoz használt anyagok (fémek, üvegek stb.) ára, ezenkívül emelkedtek a munkabérek is. További problémát jelentett az, hogy a kollektorok felületét tisztán kellett tartani, és karbantartásuk általában elég munkaigényes volt. Ugyanakkor jelentősen lecsökkent a fosszilis energiahordozók (olaj és földgáz), valamint az elektromos energia ára.

Ugyanebben az időszakban más, energiahordozókban szegény régiókban erőteljes fejlődésnek indult a napenergia-ipar. Ezekben az országokban lényeges új fejlesztések nem történtek, az USA-ban korábban kifejlesztett típusokat adaptálták a helyi körülményeknek és a fogyasztók lehetőségeinek figyelembe vételével.

Izraelben, amely fosszilis energiahordozókban szegény, a napenergia alkalmazásának feltételei ideálisak, mivel az ország az egyik legnaposabb régióban van. Az 1940-es években Levi Yissar megalapította az első napkollektorüzemet. A termelés gyorsan növekedett, néhány év alatt 100 ezres nagyságrendben forgalmaztak vízmelegítésre alkalmas napkollektorokat. A napkollektorgyártás évtizedekig virágzó iparág volt, prosperitásának - paradox módon - az 1967. évi hat napos háború vetett véget. Ekkor a Sinai-félsziget jelentős olajkészleteivel Izrael fennhatósága alá került. Az innen származó olcsó olaj rövid időre háttérbe szorította a napenergia-ipart. Később azonban az iparág újból fellendült, és az utóbbi években (az ezredforduló körül) újból nagy népszerűségnek örvendenek a vízmelegítő kollektorok. Mivel Izraelben a hőmérséklet általában fagypont fölött van, a legegyszerűbb primerkörös kollektorokat alkalmazzák, aminek előnye az egyszerű konstrukció, az alacsony ár és a magas hatásfok.

A háború után Ausztráliában is rohamosan terjedt a napkollektorok használata, különösen az északi, trópusi területeken. Először a legegyszerűbb, termoszifonos keringetésű (konvektív áramlású) modelleket, később a keringető szivattyús változatokat is gyártották. Rövid időn belül tízezres nagyságrendekre emelkedett a napkollektorok forgalmazása: A központi kormány támogatta a napenergiaprogramot, ezért még a kormányzati épületeket is napkollektorokkal szerelték fel a melegvíz előállítása céljából.

Japánban, ahol igen kiterjedt fürdőkultúra volt, szintén gyorsan tért hódított a napkollektorok használata a második világháború után; először főleg a mezőgazdasági (rizstermelő) területeken, később mindenütt. A korábbi fejlesztések több változatát alkalmazták, de végül főleg egy igen olcsó, hengeres tartályokból felépített változat terjedt el, amely leginkább a századforduló táján az USA-ban használt Climax típusú vízmelegítőre emlékeztetett.

Az ókor feledésbe merült energiatudatos építészete a 19. és 20. században helyenként ismét felbukkant, de ezek az alkalmak szórványosak, gyakran csak demonstratív vagy kísérleti jellegűek voltak.

A sötét, egészségtelen városi nyomornegyedeiről híres Angliában az 1860-as években Liverpool közelében felépült Port Sunlight, egy napenergia-tudatos tervezésű mintalakótelep. Hasonló mintalakónegyedeket terveztek az 1910-es években Franciaországban és Németországban is. Híressé vált a Berlin közelében 1929-ben épült "Siemensstadt" lakótelep, a kisebb lakóközösségeknek tervezett Zeilenbau lakónegyed és a Svájcban épült Neubühl, Zürich közelében.

Amerikában a századforduló körül felépültek az első felhőkarcolók. Az ilyen magas épületek árnyékoló hatása építészeti, etikai és jogi problémákat vetett fel. William Atkinson bostoni építész foglalkozott először ezzel a problémával. Sikerült elérnie, hogy Boston városi tanácsa 1904-ben rendelettel korlátozta az épületek magasságát. Atkinson kiterjedt elméleti és kísérleti munkát folytatott az épületek tájolásával, napenergia hasznosításával, árnyékoló hatásával kapcsolatban. Tervezési segédleteket, demonstrációs készülékeket készített, és kísérleti üvegházakat épített. 1912-ben publikálta "Az épületek tájolása a napsugárzás hasznosítása szempontjából" című könyvét. Ennek azonban nem volt különösebb visszhangja, Atkinson munkássága feledésbe merült, és csak évtizedek múlva hasznosították eredményeit.

Az európai eredmények ösztönző hatást gyakoroltak az Újvilágra is. Az 1930-as években a napenergia építészeti hasznosításának új hulláma indult el az Egyesült Államokban. Egész sor új konstrukció látott napvilágot. A legismertebb konstruktőrök George Keck és Arthur Brown voltak. Chicago közelében Solar Park néven lakótelep is létesült, amelyek épületeinél a tervezők a napenergia maximális kihasználására törekedtek. A "napházaknak" általában nagy sikere volt, ezért egyes építési vállalkozók erre a területre szakosodtak. Készültek olyan változatok is, amelyek teljes egészében előre gyártott elemekből álltak és a helyszínen, igen rövid idő alatt lehetett azokat összeszerelni.

A napházak funkcionálisan jó konstrukciók voltak, esztétikai megjelenésük azonban nem mindig váltott ki osztatlan sikert. Az egyik ilyen ház például a napenergiahasznosítás fokozása céljából fekete falfelülettel épült.

A 40-es évek végén a napházprogram lassú hanyatlásnak indult. Az energiahordozók ára jelentősen lecsökkent, a napenergia használatával elért megtakarítás mértéke így már jóval csekélyebb volt, mint a háború előtt és alatt. Másrészt a napházak építési költsége legalább 10%kal magasabb volt, mint a hagyományos épületeké. Ez a szempont az építtetőket a hagyományos épületek irányába terelte. A 40-es évek végére a napházak iránti érdeklődés gyakorlatilag megszűnt.

A mindmáig legnagyobb volumenű napenergia-program 1938-ban kezdődött, és néhány éves szünettel 1962-ig tartott. A program fő indítékát az adta, hogy az Egyesült Államokban a lakóházak fűtése óriási energiát emészt fel, nagyobbat, mint az egész ipar energiafogyasztása. Ha ezt legalább részben napenergiából lehetne fedezni, annak gazdasági jelentősége óriási lenne. A program finanszírozását egy gazdag bostoni üzletember biztosította, 650 ezer dolláros adományával.

A program során négy különböző típusú kísérleti házat építettek, ezek fűtését és melegvízellátását a napenergia felhasználásával kívánták megoldani. Minden kísérleti ház több évig üzemelt, és közben állandóan méréseket végeztek, igen gazdag tapasztalatokat szerezve. A kísérletekről készült dokumentációkat, beszámolókat mindmáig a napenergia-programok klasszikusai között tartják számon. A program vezetője Hoyt Hottel, a Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) vegyészmérnöki karának professzora volt.

Az 1. napház déli tájolással, a tetőn 40 m² kollektorfelülettel épült fel. A kollektorok által felmelegített vizet egy szivattyú az alagsorban elhelyezett 70 m³-es tartályba szivattyúzta. A tartály által felmelegített levegőt ventilátorok hajtották be a lakótérbe. A szivattyú és a ventilátorok külső elektromos hálózatról üzemeltek. A szabályozást úgy oldották meg, hogy ha a kollektorok vízhőmérséklete a tartály hőmérséklete alá csökkent, a rendszer automatikusan leürült. Ily módon elkerülték a kollektorok szétfagyásának veszélyét és hőveszteség sem jött létre a külső hideg következtében.

A napház belsejében a téli hideg napokon sem csökkent a hőmérséklet 22 °C alá. Számos paraméter (a kollektorok dőlésszöge, az üveglefedések száma, a hatásfok változása stb.) vizsgálatára került sor, ezeket gondosan rögzítették. Gazdaságilag az eredmény nem volt túlságosan kedvező. A nagy kollektorfelület és a nagyméretű tároló tartály jelentős költségtöbbletet igényelt, ezt lakóházaknál megengedhetetlennek ítélték.

A 2. napház az elsőtől teljesen eltérő alapelvek szerint épült 1947-ben. A fűtési hőt a déli oldalfalon függőlegesen elhelyezett kettős üveglefedésű "fűtőfalak" szolgáltatták. Ezek feketére festett abszorberrel határolt lapos fémdobozok voltak. A fűtőfalról a meleg levegőt természetes konvektív áramlás hajtotta a ház belsejébe. A túlmelegedés ellen fehér vászonfüggönyökkel takarták a fűtőfalakat, amikor a ház belsejében a hőmérséklet 22 °C alá csökkent, a függönyöket egyszerűen felhúzták. Az eredményt tekintve a kutatócsoport ezt a napházat végül nem ítélte sikeresnek. A fűtőfalak a ház teljes fűtési energiaigényének 38-48%-át fedezték, de a veszteség túl nagy volt és a függönyök kezelése nehézkessé tette a működést, ezért ezt a megoldást végül elvetették.

A 3. napház módosított alapelvek szerint épült 1949ben. Tervezésénél az eddigieknél nagyobb mértékben vették figyelembe a gazdaságossági szempontokat. Egyrészt nem tekintették célnak azt, hogy a ház teljes fűtési hőigényét a napenergiából fedezzék, ezért kisebb kollektorfelületet építettek be. Másrészt nagy felületű, déli tájolású ablakokkal további hőnyereséget értek el. A kollektorok által felmelegített víz itt is egy alsó tartályba került, ahonnan a levegőt - az első napházhoz hasonlóan - ventilátorok továbbították a lakótérbe. A tartály azonban itt jóval kisebb volt, mint az első napháznál.

Újdonság volt a korábbi kísérletekhez képest, hogy ezt a napházat lakásként hasznosították, az egyetem egyik fiatal oktatója családjával költözött a házba. A napház működése igen sikeres volt, a fűtési hő 44%-át szolgáltatták a kollektorok, 29%-át a déli tájolású ablakok, a bútorok és berendezési tárgyak hőtárolása további 16%-ot eredményezett, elektromos fűtéssel csak a hiányzó 11%-ot kellett pótolni. Ez volt az összes addigi kísérleti ház közül a legeredményesebb, egészen 1953-ig sikerrel üzemelt, ekkor egy elektromos zárlat folytán keletkezett tűz következtében leégett.

A 4. napház 1958-ban épült, az elsőhöz lényegében hasonló elvek alapján (4. ábra). Tervezésénél azonban fokozottan figyelembe vették a gazdasági szempontokat, és a házat egy sorozatgyártású modell prototípusának szánták. A konstrukció azonban nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket, a kollektorok a fűtési energiának csak 50%-át szolgáltatták. A ház így is 1962-ig üzemelt, amikor az M.I.T. napházprogramja befejeződött.

A program legfontosabb eredménye az volt, hogy bebizonyította: a napenergiával történő lakóházfűtés Massachusettshez hasonló hideg éghajlatú vidéken is megvalósítható.

Telkes Mária, magyar származású fizikus korábban fémipari kutatásokban tevékenykedett. 1945-től napenergia-hasznosítás területén dolgozott az M.I.T.-ben, egyidejűleg a napház-munkacsoporttal, de tőlük függetlenül.

Nehézkesnek találta a hőtárolás eddigi megoldásait nagy térfogatú víztartályok vagy kőzúzalék felhasználásával. Tudta, hogy a kristályos anyagok olvadásakor nagy hőmennyiség tárolódik el, amely megszilárduláskor felszabadul (fázisátalakulási hő). Telkes Mária hosszú ideig kutatott egy alacsony olvadáspontú, olcsó kristályos anyag után, amelynek nagy az olvadáshője. Végül úgy találta, hogy a célnak a glaubersó (nátrium-szulfát dekahidrát) felel meg a legjobban; ennek olvadáspontja 32 °C.

A kísérleti ház felépítéséhez szponzort is talált, így 1948-ban Doverben (Boston közelében) a ház felépült. Fűtését - Telkes Mária elképzelései szerint - teljes egészében a napenergia szolgáltatta volna. Ezért a ház déli homlokfalánák felső szintjét függőleges állású napkollektorokkal építette be, innen a meleg levegőt ventilátorok továbbították a mögöttük lévő sótároló kazettákra. A glaubersó az abszorbeált hőtől megolvadt, majd amikor este a ház lehűlt, megszilárdult, látens hője felszabadult, melegítve a ház belső helyiségeit. A doveri házba 1948 telén a Némethy-család (Telkes Mária rokonai) költözött be. A tél kezdetben igen hideg volt, a napenergiával történő fűtés nem volt kielégítő; kisegítő fűtést pedig nem terveztek az épületbe. A Némethy-család kellemetlen, hideg napokat élt át. Ezután két (enyhébb) télen át a működés kielégítőnek mutatkozott, majd a rendszerben működési zavarok léptek fel. A probléma az utólagos elemzés szerint valószínűleg az lehetett, hogy a glaubersó megolvadásakor különvált az olvadt só és a vizes fázis. Visszafagyáskor ezek már nem keveredtek össze, így a látens hőfelszabadulása nem volt egyöntetű. Végül a működési problémák kiküszöbölése céljából a tulajdonos elektromos fűtőtestéket helyezett el a házban, majd 1953-ban a glaubersótartályok szivárgása miatt az egész szoláris fűtőrendszert lebontották és teljes egészében hagyományos fűtésre tértek át.

A látens hő felhasználása hőtárolási célokra igen termékeny ötlet volt, de technikailag - akkor még - nem sikerült jól megvalósítani. (Újabban egyre kiterjedtebben alkalmazzák a módszert kollektoros rendszerek hőtárolására.) Másrészt az USA északi területeinek klimatikus viszonyai mellett a 40-es években irreális elképzelés volt egy tisztán napenergiára alapozott fűtési rendszer létesítése. (Telkes Mária munkásságának további részleteit a Fizikai Szemle 2001/3. számában, Papp Katalin és Kondics Ferenc cikkéből ismerhetjük meg.)

A Nobel-díjas Henri Becquerel apja, Edmund Becquerel nevéhez fűződik a Becquerel-effektus felfedezése (1839). Ennek lényege az, hogy elektrolittal érintkező fémelektróda potenciálja megvilágítás hatására megváltozik. A jelenséget tehát - elvben - fényenergia-elektromos energia átalakításra lehet használni. (Mouchot ilyen irányú próbálkozásait a termoelemekkel - az 1870-es évek végén - már említettük korábban.) Charles Fritts, amerikai feltaláló az 1880-as évek végén készítette el az első szelén napelemet. Ennek hatásfoka azonban kisebb volt, mint 1%. A kvantumfizika és a fotoelektromos effektus felfedezése után az 1930-as évek elején kezdtek néhányan ismét a napelem megvalósításával foglalkozni, de az újra felfedezett szelén napelem rossz hatásfoka nem motiválta a további kutatásokat.

1954-ben a Bell Laboratóriumban három kutató: Gordon Pearson, Darryl Chapin és Calvin Fuller szilícium napelemekkel kezdett kísérletezni. Az első kísérletekben már 4%-os hatásfokot értek el, majd további tökéletesítések után hamarosan 15%-os hatásfokú napelemet állítottak elő. Eredményeik nagy port vertek fel, a napelemeket sokan "a jövő tiszta energiaforrásának" tekintették. Hamarosan kiderült, hogy költségessége miatt a napelem (fotovillamos cella, PV-átalakító) széles körű alkalmazására most még nem kerülhet sor, de néhány speciális célra már ma is nélkülözhetetlen. Ilyen a távoli, izolált területek energiaellátása és - elsősorban - az űrkutatás. Az USA űrprogramja során jelentős méretű napelemipart hoztak létre, az űreszközök működtetése ugyanis napelemek nélkül elképzelhetetlen. További, népszerű alkalmazást nyert egy sor kis energiaigényű elektronikai eszközben; például zsebszámológépekben, zsebrádiókban, zseblámpákban stb. Újabban kiterjedten használják a napelemeket az autonóm napházakban.

A második világháború után az olajipar világszerte rohamos fejlődésnek indult; egyes energiaszegény országokban (például Izraelben, Japánban) azonban a napenergia-ipar is fellendült.

Az Egyesült Államok és szövetségesei egy ideig várakozó álláspontra helyezkedtek az energiaipar perspektíváinak kijelölése tekintetében. 1952-ben Truman elnök kezdeményezésére bizottságot hoztak létre a komplex probléma vizsgálatára. A bizottság - előrelátó módon megállapította, hogy a fosszilis tüzelőanyagok hiánya várhatóan súlyos problémát okoz majd az USA-nak és szövetségeseinek a 70-es évek közepére. (Az előrejelzés igen pontosnak bizonyult.) Ezért leszögezik, hogy "... erőfeszítéseket kell tenni a kimeríthetetlen mennyiségben rendelkezésre álló napenergia hasznosítására...". A kormány azonban a gyakorlatban nem követte a bizottság által javasolt irányt. Eisenhower elnöksége idején az USA vezetése 1954-ben elkötelezte magát az atomenergia mellett és ebben szövetségesei is gyorsan követték.

Az atomenergia békés felhasználásának lehetősége a nyugati világban euforikus hangulatot váltott ki. Az egész ezután következő korszakot "atomkorszak" néven kezdték emlegetni, amelynek legfontosabb vívmánya az lesz, hogy az emberiséget olcsó; korlátlan mennyiségben rendelkezésre álló atomenergiával látja el, ez pedig az emberi civilizáció soha nem látott felvirágzását teszi lehetővé. Óriási beruházások indultak az atomenergia-ipar fejlesztésére, eközben a napenergia-hasznosítás fejlesztésére szánt összegek nem érték el a teljes energiaipari fejlesztés 1%-át.

Néhányan már akkor is látták az atomenergia alkalmazásában rejlő csapdákat és a várható súlyos problémákat, de csak kevesen adtak hangot kételkedésüknek. Ezek közé tartozott George Russler, aki már 1959-ben figyelmeztetett az atomerőmű-hulladék elhelyezésével kapcsolatban a várható súlyos gondokra. Cikkében ezt írja: "Ha valaki a problémát a jövőre vetíti, amikor a világ jelenlegi hagyományos erőműveinek talán 10-20-szorosára is szükség lesz és ezeket jórészt atomerőművek helyettesítik, a nukleáris hulladék elhelyezése- abban a léptékben - talán már megoldhatatlan lesz." Russler ezzel szembeállítja a környezetbarát napenergia előnyeit: "A napenergia alkalmazása nem vet fel óriási biztonsági problémákat, hulladékelhelyezési gondokat, nem igényel sok milliárd dolláros beruházásokat. A megfelelő - hosszú évszázadok alatt egyre tökéletesedett - technika és a megvalósítás know-how ja is rendelkezésre áll. Egyedül a probléma sürgető fontosságának felismerése és az elhatározás hiányzik."

A II. világháború után, a hidegháború és a fegyverkezési verseny évtizedeiben a megújuló energia ismét a perifériára szorult. A felfokozott tempójú ipari fejlesztéseknek és a katonai arzenál gyors kiépítésének koncentrált energiaforrások kellettek. A megújuló energiához, és ezen belül a napenergiához kapcsolódó fejlesztési programok csak a fegyverkezési verseny megszűnte és a "keleti tömb", majd a Szovjetunió összeomlása után kaphattak új lendületet. A fejlődés ezúttal is Amerikából indult.

A Luz International 1984 és 1990 között 8 elektromosenergia-szolgáltató naperőművet épített Kaliforniában. Az erőművek parabola keresztmetszetű, vonalfókuszos (vályú-) kollektorokkal működtek, összteljesítményük 355 MW volt (5. ábra).

Ugyanebben az időszakban kiterjedt kísérleteket folytattak a toronykazános erőművek alkalmazására is. Ezek első, sikeresen működő prototípusa a Solar One volt (6. ábra), amely szintén Kaliforniában épült fel. A kazán egy 76 m magas torony tetején állt, erre fókuszálta a napsugarakat 1820 db külön mozgatható, egyenként 40 m² felületű tükör (heliosztát).

<>

Hazánkban a napsugárzás energiasűrűségének átlagértéke 1260 kWh/m² év, a napsütéses órák száma átlagosan 2150 óra/év; mindkettő magasabb, mint az európai átlag. A napenergia tekintetében jobb helyzetben vagyunk, mint Hollandia, Dánia, Svájc, Németország és Ausztria, amely országokban a napenergia hasznosításának széles körű elterjesztése - mint már említettük - évtizedek óta kormányzati célkitűzés. Az utóbbi időben nálunk is örvendetes fejlődésnek indult a napenergia-ipar. Az interneten a www.napenergia.lap.hu honlapon (2002. október) összesen 30 gyártó és forgalmazó adatait lehet megtalálni.

Irodalom

1. K. BUTTI, J. PERLIN: A Golden Thread (2500 years of solar architecture and technology) - Marion Boyars, London-Boston, 1980.
2. IMRE L., BITAI A., HECKER G.: Megújuló energiaforrások - Felsőfokú oktatási segédlet. BME Energetika Tanszék, Budapest, 2000.
3. F. KREITH, R.E. WEST (editors): CRC Handbook of Energy Efficiency - CRC Press, New York, London, 1997.
4. SZŰCS M.: Szoláris bioklimatikus építészet. A napenergia építészeti hasznosítása -Magyar Napenergia Társaság, Budapest, 2000.
5. ZÖLD A.: Energiatudatos építészet - Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1999.