Móczár–Farkas: NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS

Móczár Gábor - Farkas István

NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS

Móczár Gábor

Földünkön jelenleg az ún. fosszilis energiaforrások felhasználása bír döntő jelentőséggel. A Nap sugárzó energiáját magában rejtő kőolaj, földgáz és szén kialakulása mintegy 10-400 millió évvel ezelőtt kezdődött a Földön. Ma legtöbbször ezek elégetésével jutunk hőenergiához. Az iparilag fejlett országok intenzív energiafelhasználása miatt azonban az energiahordozó készletek rohamosan csökkennek, a felhasználáshoz képest az újratermelődésük aránya is meglehetősen alacsony.
A készletek csökkenésén túlmenően az igazi veszélyt a környezetbe kerülő szennyező anyagok jelentik. Jól ismert jelenség az ún. üvegházhatás, amely a túlzott széndioxid-keletkezéssel függ össze. Arról van szó, hogy a kialakult szennyezőburok miatt a Föld hosszúhullámú kisugárzása jelentősen lecsökkenhet, és ennek következtében a Föld átlaghőmérséklete káros mértékben megnövekedhet.
A fenti okok miatt egyre nagyobb szerepet kapnak a megújuló energiaforrások: a napenergia, a folyóvizek és a tengerek energiája, a szélenergia, a geotermikus energia és a biomassza.
A napenergia hasznosítása során a napsugárzást megfelelő szerkezetek révén közvetlenül hő- vagy villamos energiává alakíthatjuk át. A vízenergia hasznosításánál a természetesen vagy mesterségesen felduzzasztott tárolókból lezúduló víz turbinát forgat, amely áramfejlesztőt hajt, amelynek révén villamos energiához jutunk. A szélenergia hasznosítása is ehhez hasonló, amikor is az erős szél egy lapátszerkezetet, turbinát forgat, amely áramfeljesztővel van összekötve. A biomasszából történő energiatermelés tulajdonképpen az élővilág hulladékának a hasznosítását jelenti.
Az elsődleges energiaszükséglet kielégítésében a megújulók aránya a fejlett országokban ma mintegy 10%, az EU országaiban 4%, Kelet-Európában 3%. Az Unió és a tagországok energiapolitikájában megfogalmazódott elvek és az érvényesített intézkedések, támogatások, kedvezményes hitelek, valamint a szénre kivetett adó hatásaként 2010-re az EU elsődleges energiaszükségletének 15 százalékát fedezik megújuló energiaforrásból.
Amennyiben a hagyományos energiahordozók áraiban érvényesítik a környezeti ártalmak társadalmi költségkihatásait (externális költségek), akkor ez az arány még tovább növekedhet. Az ENSZ becslése szerint 2050-re akár a 60 százalékot is elérheti. A legnagyobb növekedési ütemet a jelenleg kis részarányt képviselő napenergia közvetlen felhasználására prognosztizálják.
Ma már a megújuló energiaforrások alkalmazásához szükséges eszközök, berendezések árai hazánkban is egyre kedvezőbbek. A világ egyre több országában államilag is támogatják ezen eszközök megvásárlását. A szoláris technológia piacképes bevezetéséhez, a szélesebb körű elterjesztéséhez Magyarországon is szükség lenne az állami támogatások különböző formáira.

A napsugárzásból nyerhető energia

A Nap sugárzásából származó energia közvetlen felhasználása már régóta ismert az emberiség számára. Elég csak az ókori eredményekre gondolni, nevezetesen az Arkhimédész által előállított gyújtótükörre, vagy a még ma is korszerű Szókratész-féle napház elvére, amely szerint az épület déli oldalát kell magasabbra építeni a téli napsugárzás hasznosítása végett.
Napjaink kis teljesítményű napenergia-hasznosító berendezéseinek többségét a mediterrán országok háztetőin látjuk, ami általában egy napkollektorból és a hozzá tartozó melegvizes tartályból áll, és használati meleg vizet biztosít a ház lakóinak. Ezekben az országokban számos napenergiával működő gyümölcsszárító és -aszaló berendezés üzemel.
A Nap sugárzásából a földi élet számára elsősorban az elektromágneses sugárzás, a fény a legjelentősebb. A Nap sugárzó teljesítményének a Földet elérő része mintegy 173x1012 kW, ami többezerszeresen meghaladja az emberiség jelenlegi energiaigényét. Az átlagos intenzitás mértékéül az ún. napállandót használjuk, amelynek értéke: I0=1353 W/m2.
A sugárzás egy része közvetlen módon jut el a Föld felszínére, míg másik része a légkör hatása miatt megtörik, visszaverődik, és így végül kialakul a szórt sugárzási komponens. Az energetikai hasznosítás szempontjából a két komponens összegével, vagyis a teljes sugárzással számolunk.

A napsugárzással érkező energia mennyisége

Magyarországon a századforduló óta végeznek rendszeres megfigyeléseket a napsugárzásra és a napsütés időtartamának regisztrálására. A napenergia hasznosításával kapcsolatos műszaki tervező munkához elengedhetetlenül fontosak ezek az adatok, hiszen ezekből kiindulva tudjuk meghatározni a berendezésekkel kinyerhető energia mennyiségét.
A napsugárzásra merőleges síkon mért sugárzási adatok, mint az alábbi táblázat is mutatja, széles határok között változnak.

A teljes napsugárzás évi átlagos összege hazánkban (MJ/m2)
Merőleges síkon mért sugárzási átlagértékek (kWó/nap)

január	február	március	április	május	június
4,02	5,75	7,43	8,92	10,3	10,8

július	augusztus	szept.	október	nov.	dec.
10,2	10,7	9,5	7,89	5,71	4,65

A napsütéses órák száma

A meteorológiai intézet sok éve regisztrálja a napsütéses órák számát hazánkban. Ezek az adatok szintén rendkívül hasznosak azon szakemberek számára, akik a napenergia felhasználásával kapcsolatos berendezések műszaki terveit készítik el.

Napsütéses órák száma hazánkban

január	február	március	április	május	június
57	82,9	135,7	186,7	252,8	267,1

július	augusztus	szept.	október	nov.	dec.
296,6	278	202	138,9	62,8	40,2

A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS MÓDJAI

A napenergia közvetlen hasznosításának legelterjedtebb módjait két fő csoportba szokás sorolni. Ezek egyike az ún. paszív hasznosítás, amikor külön kiegészítő eszköz, berendezés nélkül tudjuk a napenergiát - megfelelő tájolás, célszerű üvegezés, hatékony szigetelés és alkalmas szerkezeti anyagok megválasztásával - az épületek fűtésére felhasználni.
A másik megoldás az aktív hasznosítás, amikor valamilyen, külön erre a célra készített eszköz (kollektor, napelem) segítségével alakítjuk át a Nap sugárzási energiáját hővé vagy villamos energiává.
Tágabb értelemben a biomassza energetikai célú felhasználása is napenergia-hasznosítást jelent, hiszen a növények az asszimiláció során a napsugárzás segítségével alakítják át a szervetlen anyagokat szerves vegyületekké. Más szóval a növények kémiailag kötik meg a napenergiát, amit aztán a növényi rostok elégetése során hőenergiaként hasznosíthatunk.
A napenergia hasznosításának a mezőgazdaság területén van a legnagyobb hagyománya. A kezdetben üvegezett, majd később műanyag borítású üvegházakat évek óta széles körben használják, elsősorban zöldségfélék és virágok termesztésére. Hazánkban több vidéken is igen elterjedt az ún. fóliás termesztés, ami a mi éghajlati viszonyaink mellett is lehetővé teszi egyes zöldségfélék korai előállítását.
A takarmányszárítás is igen fontos terület. Itt általában a környezeti hőmérsékletnél csak 5-10 fokkal melegebb levegőre van szükség, mivel magasabb hőmérsékleten szárítva a takarmány már veszítene tápértékéből. Többféle műszaki megoldást is alkalmaznak erre a feladatra. Ma már széles körben elterjedt például az a technológia, amelynek lényege, hogy a kényszerlevegős szárítók elé nagy átmérőjű, fekete fóliából kialakított, a talajhoz rögzített csövet kapcsolnak be. A ventillátor a fekete fólián keresztül nyomja a levegőt a szárítóba. A csövön áthaladva a levegő felmelegszik, és közben feszesen "felfújva" tartja a csövet.
A napenergia-hasznosító berendezések alkalmazására azok a területek a legelőnyösebbek, ahol alacsony hőmérsékletű levegőre vagy vízre van szükség. Ilyen terület például az uszodák hőellátása, ahol a használat időszaka szerencsésen egybeesik azzal az évszakkal, amelyben a Nap sugaraival a legtöbb energia érkezik a Föld felületére. A szabad téren lévő medencék hőigénye két fő részből tevődik össze.
Egyik a víz felszínén a párolgásból adódó hőveszteség, a másik pedig a friss víz felmelegítésének energiaigénye. Napsütéses időben az uszodákhoz a szükséges energia mennyiségét kollektoros vízmelegítéssel lehet biztosítani.

Passzív napenergia hasznosítás

A napenergia aktív hasznosítása, mint erre már utaltunk, alapvetően fototermikus vagy fotovillamos módon mehet végbe. A fototermikus megoldás azt jelenti, hogy egy alkalmas eszközön (napkollektoron) folyadékot vagy levegőt áramoltatunk keresztül úgy, hogy közben minimálisra csökentjük az áramló közeg által felfogott energiának visszasugárzás vagy hővezetés általi eltávozását a készülékből. A felmelegített folyadékot leggyakrabban meleg víz előállítására használjuk fel, de természetesen egyéb megoldások is előfordulnak a gyakorlatban.
A fotovillamos megoldás során napelem segítségével alakítjuk át a napenergiát közvetlenül villamos energiává. Az ily módon kapott 12 vagy 24 V-os egyenfeszültséggel közvetlenül lehet fogyasztókat (pl. világítás, szellőztetés) működtetni. Szükség esetén 220 V-os váltóáramú hálózati fogyasztók is működtethetők egy inverteres egység közbeiktatásával.

Mindkét esetben problémát jelent a begyűjtött hő- ill. villamos energia tárolása. Ennek oka az, hogy az energiát sokszor éppen akkor szeretnénk felhasználni, amikor az a napsugárzás hiánya miatt nem áll rendelkezésre, vagy fordítva, akkor van energiahozam, amikor nincs igény a felhasználásra. A folyadékkal működő kollektoros hasznosítás esetén a leggyakoribb megoldás egy megfelelő méretű szigetelt tartály alkalmazása. A napelemek által szolgáltatott villamos energiát legegyszerűbben akkumulátorokban tárolhatjuk.
A napkollektorok illetve napelemek által begyűjthető energia mennyisége nagyban függ a berendezések tájolásától és dőlésszögének beállításától. Tájolás tekintetében természetes, hogy a déli beállítás a legkedvezőbb. A dőlésszög optimális értéke az üzemeltetés időszakától függ. A Budapesten érvényes havi átlagos sugárzási adatokból számolva egész évi működtetés esetén a vízszintessel bezárt 43,5 fokos dőlésszögű beállítás az optimális. Nyári hónapokra a jelentősen eltérő napmagasságok miatt ez az érték 18,5 fokra, a téli hónapok idejére pedig 76,2 fokra becsülhető. Általában 30-60°-os dőlésszöget szokás alkalmazni.

A napelem

A napelemek, vagy más néven fotovillamos elemek a fotovillamos jelenséget hasznosítják. A Nap elektromágneses sugárzása a napelem alapanyagát képező félvezetőben szabad töltéshordozókat hoz létre, amelyek hatására a napelem fémelektródáin feszültségkülönbség keletkezik. Ha a fémelektródákat külső áramkörön keresztül összekapcsoljuk, akkor a napelem megvilágításának hatására a külső áramkörben azzal arányos mértékű egyenáram folyik. Az áram nagyságát a keletkezett szabad töltéshordozók száma határozza meg, a feszültség pedig az alapanyag jellegétől függ.
A napelem fény hatására működik, így közvetlen vagy közvetett (az égboltról érkező) napsugárzás, illetve egyéb fényforrás hatására is. Az elméleti energiaátalakítási hatásfok akár a 60 százalékot is elérheti, azonban a gyakorlatban ennél lényegesen kisebb hatásfokú napelemek készülnek.

A napkollektor

A napenergia összegyűjtésre szolgáló berendezések működési hőmérséklete a felhasználási céltól függően különböző lehet: 20 és 100 oC között változik. A burkolat nélküli hőelnyelők fekete felületű műanyagból vagy fémből készülnek, megjelenési formájuk lehet lemez, paplan, szőnyeg, cső vagy tömlő. Ezek az olcsóbb berendezések legfeljebb 40 oC-ig alkalmasak a napenergia hasznosítására, és csak a nyári időszakban működőképesek. Igen jól használhatók például uszodavíz melegítésére, vagy hőszivattyúk energiagyűjtőjeként.

A 40 oC hőmérséklet fölötti működést a hőelnyelő hőszigetelésével, jó minőségű fényelnyelő bevonatával és fényáteresztő takarással kell biztosítani, ezeket a berendezéseket nevezzük üvegezett síkkollektoroknak.