A napenergia hasznosítása I.

2009/11. lapszám | VGF&HKL online |  4175 |

Figylem! Ez a cikk 17 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. 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. Azonban a közelmúltban bárki számára láthatóvá 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, az ún. színképet kapjuk (spektrum).

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. Azonban a közelmúltban bárki számára láthatóvá 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, az 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 hőelvezetésének csökkentésére dupla – légréssel ellátott - oldalfalat lehet kialakítani. Az üveg irányába történő hőleadás meggátlására 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 hő vezetést 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 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. Ennek bemutatása a következő részben történik meg.

Kiss Tibor

---