A napenergia hasznosítás története

A napenergia hasznosítás története

Már az ókori civilizációk is felismerték a napban rejlő energiát, energiatudatos építészet formájában. Ezt a rómaiak tökéletesítették mivel ők már használták az üveget, ezáltal az üvegházhatást is hasznosítani tudták az épületek hőtárolására. Később kísérleteket tettek a fókuszáló tükrök és lencsék harcászati célokra történő alkalmazása, de ezek jórészt csak elképzelések voltak. A középkorba nem sok előrelépés történt a napenergia hasznosítás területén.

Európában az 1600-as évektől újból felfedezték a szoláris építkezés előnyeit, nagy üvegházakat építettek. Valamint egyre nagyobb méretű parabola alakú tükröket készítettek, ezek némelyike már tűzgyújtásra is alkalmas volt. További fejlesztés volt, hogy a napközben besugárzott hőt már téglafalakban tárolták az üvegházakban, a hűvös éjszakai órákra.

A 18.század második felében kezdődött el a napenergia tudományos vizsgálata. Nagyméretű fadobozt készítettek, amelyre több réteg üveget lehetett rögzíteni, és ezt a napra helyezték. Ez volt az úgynevezett forró doboz, belsejében 100 °C-nál magasabb hőmérsékletet is el lehetett érni. Lényegében ennek a továbbfejlesztéseként jöttek létre a síkkollektor első példányai.

Az igazi áttörést azonban Mouchot francia professzor érte el a napenergiával működő eszközök terén. Sorra fejlesztette ki a napenergiával működő készülékeit, főző és desztillálókészüléket és egy szivattyút. Ezek fókuszvonalas (vályú alakú)  kollektorral gyűjtötték össze a napsugárzást. Készített egy napkazánt is, ez nagynyomású gőzt állított elő, és egy gőzgépet működtetett. Később a kísérleteit Algériában folytatta itt építette fel legújabb napkazánját, amelynek csonka kúp alakú reflektora 5 m átmérőjű volt. A berendezés gőzgépet működtetett, mely vizet szivattyúzott, ezenkívül alkoholt desztillált, ételeket főzött, sőt egy hozzákapcsolt hűtőberendezés segítségével jégkockákat is előállított. Kísérletezett még különböző hőtároló anyagokkal. Készített termoelemeket, de ezek teljesítménye alacsony volt. Az akkor még kimeríthetetlennek hitt szén és az olaj elterjedésével a napenergia háttérbe szorult.

Ezzel egyidejűleg John Ericsson svéd tudós, Amerikában felépítette első napenergiával működő gőzgépét. Ericsson vályú alakú reflektort használt, amelynek fókuszvonalában  kis átmérőjű rézcső töltötte be a kazán szerepét, és nem készített üvegburkolatot a cső külsejére. A készüléket tovább fejlesztették, főleg öntözőberendezések működtetéséhez. De ezek a berendezések is az akkor még olcsó fosszilis tüzelőanyag áldozatai lettek.

Az amerikai, Frank Shuman továbbfejlesztette  a forró dobozokat, de ő alacsony forráspontú folyadékot, étert vezetett a belsejébe. A keletkező étergőzzel egy speciális gőzgépet hajtott meg.  A későbbiekben a forró doboz elvét egyesítette az Ericsson féle fókuszálló kollektorral, ezzel olyan magas hőmérsékletet tudott előállítani, hogy az már vízforralásra is alkalmas volt. Majd Egyiptomban, 1913-ban nagyméretű naperőművet épített melyet öntözésre használtak. Shuman hatalmas kiterjedésű napkollektormezőt tervezett a sivatagba, de a világháború közbeszólt és újból elmaradt az igazi áttörés.

Néhány évtized múltán azonban újra épülni kezdtek a hatalmas napkollektormezők, melyek tükrökkel összegyűjtik a napsugarakat és egy folyadékkal teli tartályra fókuszálják, így gőzt állítanak elő, amit gőzturbinába vezetnek, ilyen módon elektromos áramot tudnak előállítani, és persze melegvizet is.

Közben a lakosság körében is elkezdtek kísérletezni a napenergia hasznosításával. Feketére festett vízzel teli tartályokat helyeztek a háztetőkre, így állítottak elő melegvizet, persze nem túl jó hatásfokkal.

Clarence Kemp 1891-ben egy nagyszerű ötlettel ált elő a fekete tartályokat üveglefedésű kazettába helyezte, így az üvegházhatás közbeiktatásával a készülék hőtartása sokkal jobb lett. Később a hengeres tartályok helyett, nagyobb felületű, lapos tartályt alkalmaztak, ezáltal a víz felmelegedése jóval gyorsabbá vált. Amerikában igazi sikertermék lett a Climax márkanevű berendezés.

1909-ben Wiliam Bailey kifejlesztette a nagy teljesítményű, éjjel-nappali melegvíz-szolgáltatásra alkalmas készüléket. Ebben a korábbi, javított Climax-típusú készülékhez egy nagyméretű tárolótartályt is kapcsolt. A tartály magasabban helyezkedett el, mint a vízmelegítő 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 volt.

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.

Lényegében elérkeztünk a ma is használatos napkollektor rendszer szerkezeti kialakításához, persze a technikai fejlődés nem állt meg, folyamatosan tökéletesítették a napkollektorokat, hogy egyre jobb legyen a hatásfokuk. Manapság a sík- és vákuumcsöves napkollektor rendszerek az elterjedtek. A síkkollektor a közvetlen és direkt napsugárzást hasznosítja jobban; a vákuumcsöves pedig a szórt fénysugárból is tud energiát felvenni, de közel egyenlő hatásfokkal dolgoznak.

 

Napenergiából elektromos energia

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. De ezek előállítása igen költséges volt így elterjedésére még jó néhány évet várni kellett. A napelem azonban az űrkutatás fejlődésével nélkülözhetetlenné vált. Az USA űrprogramja során jelentős méretű napelemipart hozott létre, az űreszközök működtetése ugyanis napelemek nélkül elképzelhetetlen.

A napelemek tehát fényenergiát alakítanak át villamos energiává. Az elektromos feszültség, belső fényelektromos hatás révén jön létre, úgynevezett félvezető rétegben, ez általában szennyezett szilícium. A félvezető zárórétegében a töltéshordozók felszabadulása és szétválása révén keletkezik az elektromos feszültség, a napfény hatására.

Érdekes hogy az áramtermelés intenzitása hőmérsékletfüggő, aminek következtében a napelemek hatásfoka minden hatást összegezve jelentősen jobb alacsony hőmérsékleten. Ez meglehetősen nagy probléma, ugyanis a legtöbb panel, tűző napon akár 70°C-ra is felmelegedhet. Ez még ugyan nem jelenti azt, kevesebb áramot generálnak, mivel a fényintenzitás növekedésével javul a hatásfok, de a lehetőségekhez képest romlik a teljesítmény.

A napelemek közül a két legelterjedtebb fajta a poly- és monokristályos. Ez utóbbi a szórt fényből nagyobb hatásfokkal állít elő áramot, míg a polykristályos a direkt napsugárzást jobban hasznosítja. Összességében elmondható hogy mind a kettővel, közel ugyanannyi elektromos áram állítható elő.

A napelem egyenáramot termel a fotoelektromos hatás segítségével a napfényből, ez 40 V körül van. Ezt az egyenáramot az inverter segítségével 230/400 V hálózati feszültségű 50 Hz váltóárammá alakítjuk. Sziget üzemű rendszereknél akkumulátorokban tároljuk a fel nem használt áramot, hálózatra visszatápláló rendszernél viszont az áramszolgáltató hálózatára továbbítjuk egy kétirányú mérőóra közbeiktatásával. Az így a megtermelt, de fel nem használt áramot az áramszolgáltató átveszi. Este, vagy amikor nem termelünk elegendő áramot a háztartásunk számára, a hálózatból veszünk. Ennek elszámolása éves elszámolással lehetséges.               

Napkollektoros HMV rendszer fűtésrendszerrel kombinálva

 

Hálózatba visszatápláló és szigetüzemű napelemes rendszer

 

Felhasznált irodalom: (Fizikai Szemle 2003/3. 99.o. A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS RÖVID TÖRTÉNETE Ujfaludi László Eszterházy Károly Főiskola, Eger)

Készített: Csörsz Gergely