Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!
Kissé furcsának tűnhet első hallásra mostani cikkünk címe: Sűrített napenergia hasznosítás. Angolul talán ismerősebbnek hangzik koncentrált napenergia hasznosítás. Az elmúlt években nagy harc indult minden egyes % - ért, mellyel a tudósok növelni tudták a hatékonyságot. Felmerült a „vad” ötlet: mi lenne, ha nem csak 1 NAP erejét tudnánk hasznosítani, hanem 5 – 10, esetleg 100 NAP energiája hasznosulhatna. Az ötlet elég jó, de eszköz is kellene hozzá, mert a mostaniak nem bírják… Kiderült, hogy a kollektorokkal nemcsak meleg vizet lehet előállítani.
STE és CPV eszközök
A napelem hasznosításnak két alapvető formája ismert a termikus, hő energia hasznosítás, és az elektromos energia hasznosítás. Ehhez két különféle szerkezetű és működésű eszköz rendelhető: a napkollektor és a napelem.
A napkollektor – nevéhez híven – összegyűjti (collect = gyűjteni) a napsugárzást, főleg az infravörös tartományban, és így adja tovább felhasználásra. Felhasználása: elsősorban használati meleg víz előállítás, melegítés, fűtés (rásegítés).
A napelem is összegyűjti ugyan a napenergiát – szinte minden hullámtartományban – de átalakítja és kimenetén villamos energiát szolgáltat.
A napkollektor energiahasznosítási hatásfoka kissé jobb, mint a napelemé, ezért felmerült az ötlet hogyan lehetne a rendszerből elektromos energiát kinyerni.
Az STE angol mozaikszó, jelentése Solar Thermal Electricty – azaz szolár termikus elektromos energia. Ötletek egész sora kellett a megvalósításhoz.
Koncentrált napenergia előállítása
Az angol nyelvű szakirodalomban CHP néven ismeretes. Ez egy mozaikszó Concntrated Heat Power. Ismeretes egy másik változata is, a CSP, mely szintén mozaikszó Concentrated Solar Power, ezt inkább a napelem ipar használja, hiszen alkalmazásával ott is jelentős hozamnövekedést sikerült elérni.
Ismeretes, hogy a közönséges üveglencse képes koncentrálni a fényt olyannyira, hogy az éghető tárgyakat lángra lobbantja (Archimedes, Syracusa, az ellenséges flotta megsemmisítése). Sőt arra is képes egyes igen magas olvadáspontú anyagokat is megolvasszon.
A beérkező koncentrált hőenergia igen nagy, akár több megawatt is lehet, és a teljesítmény sűrűség is igen jelentős (350 W/cm2 peak irradiance). (összehasonlításképpen a Nap direkt normál sugárzása, DNI sugárzás értéke 200-800 W/m2, erősen függ a hullámhossztól!)
A koncentrálást nemcsak üveglencsével, hanem egyéb eszközökkel is meg lehet valósítani (síklemezek, különböző alakú fényvisszaverő felületek, gömb, parabola, stb.,).
Az első „anyag és helytakarékos” ámde mégis koncentráló hatású lencsét Fresnel (1788-1827) készítette, az eszköz ma is őrzi nevét.
Fresnel koncentrátorok
Hasonlóan koncentráló hatást érhetünk el gömbtükrök (gömbsüveg), vagy parabola keresztmetszetű tükrök alkalmazásával is.
Dish koncentrátorok
Elsősorban Stirling motorok meghajtásához használják, a magasabb hőmérséklet előállításához (dish - tányér). Tipikusan kilowatt nagyságrendű teljesítményt szolgáltatnak. A hőmérséklet elérheti a 600 C fokot is, a hatásfokuk 20% körül van. A koncentráló hatású „gömbsüveg” kisebb méretű mozaik síklapokból is kialakítható (költségcsökkentés, egyszerűbb technológia, jobb gyárthatóság), megfelelő elrendezésben. Az állványok napkövető szerkezetekkel és szoftverrel vannak ellátva.
A Stirling (Robert Stirling 1790-1878) motorok gáz-expanziós működésű, dugattyús forgómotorok, melyek hőmérséklet különbség (mindegy hogyan keletkezik) elvén működnek.
Parabola koncentrátorok
A parabola koncentrátorok parabola keresztmetszetű, hosszú, több 10 méteres, vályú formában kialakított fényvisszaverő szerkezetek, melyek a beérkező sugárzást a parabola fókuszába gyűjtik. Itt van elhelyezve az energia befogadó egység, mely az esetek többségében egy üveg (kvarc) cső.
A csőben valamilyen fogadó továbbító közeg van, mely víz, vagy só ömledék. A só ömledék egyben a tárolást is szolgálja így ezek az egységek akár 24 órás üzemben is dolgozhatnak (energia ellátás biztonsága). A csőben magas hőmérséklet van, a sóoldatok esetében akár több 100 C fok is lehet. A begyűjtött és továbbított hőenergia további feldolgozásra / átalakításra kerül egy gőzturbinás (Rankine ciklusú) erőműben. Az erőmű kimenete elektromos energia.
Napenergia torony
A napenergia tornyok (power tower) olyan, energia koncentrálással működő erőművek, mely esetben több ezer síktükörrel a napsugárzást egyetlen helyre, egy toronyra összpontosítják (több 100 nap sugárzása)s. A síktükröket – Heliostatok – számítógépes egység vezérli, mindegyik tükör egyedi beállítást és napkövetést igényel! A toronyban lévő fogadó egység különleges kialakítású és anyagaiban is különleges, az igen magas (több ezer celsius) hőmérséklet miatt. A hőenergiával túlhevített vízgőzt állítanak elő, és ez gőzturbinát hajt meg. Az erőmű kimenete villamos energiát szolgáltat.
A napenergia torony koncentrátorai síktükrök. Több tízezer darab, hatalmas méretű síktükör biztosítja a szükséges energiát. Ezek a heliostatok.
A napkohó
Tudományos kísérletekhez szükség lehet olyan berendezésekre melyek „tiszta módon” állítják elő a magas hőmérsékletet, akár több ezer C fokot is. Ily eszköz a napkohó. Ez nem erőmű inkább a tudományos kutatás egyik eszköze.
Említésre méltó a világ egyik legnagyobb (talán legelső is az ipar történelmében) szolár termikus STE erőműve Ivanpahban (CA, USA), mely olyan nagy, hogy az űrből is jól látszik.
Az amerikai SANDIA laboratórium intenzíven foglalkozik a koncentrált napenergia hasznosító eszközökkel, erőművekkel.
Az IEA (nemzetközi energia ügynökség) és egyéb források (NREL, Sandia…,) az elkövetkezendő évek várható energia-mixeinek összeállításakor figyelembe veszik az STE energiát.
Az egyes energia előállítási eljárások költségeit mutatja be a következő ábra.
STE erőművek
Az STE erőművek közös jellemzője, hogy magas (némelykor igen magas) hőmérsékleten működnek és kimenetükön elektromos energiát szolgáltatnak.
Az interneten ezen a linken találhatjuk az ilyen típusú erőművek listáját: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_thermal_power_stations
Az energia tároló, hordozó és továbbító közeg sok esetben víz. A magasabb hatásfok elérése érdekében és a 24 órás működés biztosítása érdekében só olvadékot használnak, így a hőmérséklet elérheti a 700 C fokot is. Ehhez már különleges, magas hőmérsékletet jó bíró tároló és burkoló anyagok (kvarc, rozsdamentes acél) szükségesek.
Az erőmű „végfokozata” többnyire egy gőzturbinára épülő generátor (Rankine, vagy kombinált Rankine, ciklusú), mely kimenetén elektromos energiát szolgáltat.
Újabb fejlesztések
Újabb fejlesztések eredményeképpen, és a szuperkritikus állapotú CO2 alkalmazásával, ausztrál kutatók értek el jelentősebb eredményeket és költségcsökkentést a CHP erőművek területén.
CPV napelemek
Amíg a napenergia hasznosítás teljesítmény hatásfokban elért eredményeink messze jártak, a Shockley-Quessier által megjósolt elméleti határától (szilárdtest szilícium szelet alapú napelemek esetében 14-20%) addig elég volt „némi erőfeszítés” egy-két jobb ötlet a továbblépéshez. Ám már ekkor is voltak merész álmodozók, akiknek semmi sem volt lehetetlen. Egy Napunk van csak, korlátozott a felület? Nosza, koncentráljuk csak a felfogó felületen kívüli energiát kisebb felületre. Növeljük meg az energiasűrűséget, mint ahogy fény-lencse fókuszál. Igen ám, de ezzel a huszárvágással magunk alá is vágtunk…. Mint ismeretes a félvezető eszközök „hűvösben” szeretnek dolgozni, és a koncentrálás azt jelenti, hogy messze túllépjük a 100 C fokot, akár több 100 C is lehet.
Ehhez olyan félvezető és egyéb anyagokat kell alkalmazni, melyek jól bírják a magas hőmérsékletet.
Az üveglencsével történő koncentrálás folyamata és hatékonysága hullámhossztólis függő ezért a tervezésnél további szempontokat is figyelembe kell venni a félvezetők spektrális érzékenysége miatt. A következő (22. Ábra.) ábra vázlatosan érzékelteti az egyes főbb színekkel kapcsolatos sugármeneteket.
Egyéb érdekességek, kapcsolódások a témakörrel kapcsolatban
A kémény erőmű solar chimney power plant (SCPP)
A napenergia hasznosítása gyakorlatilag korlátlan, végtelen lehetőségeket kínál az emberiség számára. Egy érdekes lehetőség a végtelenbe vezető úton a kémény (chimney) naperőművek alkalmazása. Igazából nem is naperőmű, hanem érdekes működésű szélerőmű.
A téma rendkívül izgalmas és tudományos technikai szempontból is sok kihívást rejteget és kínál egyben.
A legelső változatnál alapötletként a „kéményhatás” szolgált, miszerint a kéményben huzat alakul ki és ennek nagysága a kémény magasságának függvényében változik. Ha ebben a huzatban elhelyezünk egy megfelelően kialakított szélmotort, akkor villamos energiát nyerhetünk. Minél nagyobb a lenti és a felső pont közötti hőmérséklet különbség annál nagyobb a huzat. Ha beáramló levegőt melegíteni is tudjuk, akkor jelentősebb energiát kapunk. (Ha azt remélnénk, hogy az ötlet nekünk jutott eszünkbe először, tévedtünk. Leonardo da Vinci (1452–1519) vette fel az ötletet.)
Nosza, megindult az ötletelés:
- vegyük körbe a kémény alját egy nagyobb kiterjedésű üvegházzal, akkor a bent rekedt meleg levegő (üvegház hatás) nagyobb huzatot eredményez.
- Sőt legyen ez egy igazi üvegház, termeljünk benne növényeket. Ekkor többszörös hasznosítástól is beszélhetünk.
- Tegyünk a tetejére napelemeket is. Ekkor kombinált, hibrid szél-napenergia hasznosítást valósítottunk meg élelmiszer termeléssel egybekötve.
- Kapcsoljuk össze a rendszerünket egy geotermikus forrással is. Ekkor stabilizálni tudjuk a hőmérsékletet és egyenletesebbé tudjuk tenni a termelést.
Összefoglaló
Az elsődleges földfelszíni napsugárzást felerősítő – koncentráló eszközöket tekintettük át cikkünkben. Mivel alapvetően kétféle napenergia hasznosítás létezik, termikus (napkollektor) és napelemes (fotoelektromos), ezek két fő ágon elindulva ismertettük a főbb megoldásokat. Most még egyértelműen látszik a Solar termikus elektromosság (STE) előnye a CPV megoldásokkal szemben, mivel az STE rendszerek meglévő energia átalakító egységeket fel tudnak használni (Rankine gőzgenerátorokat) a nagyobb, hatékonyabb erőművekben. Az STE rendszer kritikus eleme hordozó közeg, de az újabb kutatások során sikeresen alkalmazták a szuperkritikus CO2 közeget. Cikkünk végén egy – a kutatások és elemzések kezdetén lévő témát vetettünk fel – a kémény erőművet, mely a napenergia területén dolgozó tudósok, mérnökök, kutatók végtelen fantáziáját talán megmozgatja. Érdemes lenne, hiszen már Leonardo daVinci is megmondta …..
