DR. BOBOK ELEMÉR DR. TÓTH ANIKÓ MEGÚJULÓ ENERGIÁK EGYETEMI TANKÖNYV KÉZIRATA MISKOLCI EGYETEM M ŰSZAKI FÖLDTUDOMÁNYI K AR K ŐOLAJ ÉS F ÖLDGÁZ INTÉZET

DR. BOBOK ELEMÉR – DR. TÓTH ANIKÓ

M EGÚJULÓ E NERGIÁK E G Y E T E M I T A N K Ö N Y V K É ZI R A T A

MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI KŐOLAJ

FÖLDTUDOMÁNYI KAR ÉS FÖLDGÁZ INTÉZET

2004

Megújuló energiák

AZ ENERGIAFELHASZNÁLÁS TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉSE, KÖRNYEZETI, TÁRSADALMI VONATKOZÁSAI

Az ősember tervszerű, tudatos energiafelhasználásának első bizonyítéka a tűz nyoma az első középafrikai lelőhelyeken. Ezek az első hamumaradékok jóval régebbiek (1,7 millió év?) mint az ugyancsak Afrikában feltételezett, s a genetikusok által 200 000 évesnek becsült „ősanyánk” kora. A jégkorszak során a Cro Magnoni emberek általánosan használták a tüzet a barlangok fűtésére, sütés-főzésre, világításra, a ragadozók elriasztására. A csiszolt kőkorszakig az emberi tevékenység eszközkészítés, szállítás, stb. terén csak a saját izomerő alkalmazásával oldotta meg feladatait. A fazekasság és a fémek használata már ipari hőfogyasztást jelentett, a tüzelőanyag nyilvánvalóan biomassza: tűzifa, szárított trágya lehetett. A napenergia tudatos hasznosítása is megjelenik a civilizáció hajnalán: a korai fazekastermékeket a nap szárította az első vályogtéglákkal együtt.

1. ábra Jerikói kerámia örlőkövek Ugyancsak a korai ókorban jelent meg a szélenergia-hasznosítás: a mezopotámiaiak és az egyiptomiak először csak folyami vitorlás járműveket építettek, majd a tengerre is kimerészkedtek. Sőt a délamerikai Titicaca tavon is közlekedtek vitorlás tutajok a prehisztorikus korban. A Níluson folyásiránnyal szemben, az északi szél energiájának felhasználásával vitorláztak, melyet az i.e. 2500-ból származó feljegyzés és rajz tanúsít. Az első tengerjáró hajót ábrázoló kép, jellegzetes a hajótesten oldalt messze túlnyúló, fekvő téglalap alakú vitorla, ie. 1500 körülről datálódik. Ebben az időben a főníciaiaknak és a krétaiaknak is kellett legyen vitorlás tengeri flottájuk. Az energiafelhasználás ebben az időben kizárólag megújuló energiaforrások (nap, szél, biomassza) hasznosítása révén történt.


2. ábra Egyiptomi tengerjáró hajó Hatshepsut királynő idejéből Az állati izomerő hasznosításának első bizonyítéka egy ökörrel vontatott ekét ábrázoló kép Egyiptomból a V. dinasztia korából.

3. ábra Állati izomerő hasznosítása az ókori Egyiptomban Érdekes, hogy a vízi energia hasznosításának a korai civilizációk idejéből nem maradt fenn nyoma, pedig erre minden technikai feltétel adott volt. Feltehetően a nagy folyamok (Nílus, Eufrátesz, Tigris, Indus, Hoangho) viszonylag kis esése és nagy vízszint-ingadozása okozta, hogy nem telepítettek vízzel hajtott berendezéseket. Persze ehhez a rabszolga-izomerő olcsósága és bősége is hozzájárult. A közvetlen régészeti bizonyítékok és korabeli feljegyzések hiányában is nagyon valószínű, hogy a fejlett öntözőcsatorna-rendszerek és a hozzájuk tartozó műtárgyak mellett ismerték a víz energiájával meghajtott vízkiemelő kereket a Közel-Keleten és Kínában a korai ókorban. Az első vízimalmokat Kisázsia sebes sodrású folyóira telepítették a görögök.

4. ábra Vízszintes „A” és függőleges „B” tengelyű örlőkövek

2


Ez a függőleges tengelyű szerkezet ie. 100 táján bukkant fel Skandináviában is, bizonyítva, hogy a korabeli kultúrák nem voltak olyan elszigeteltek, mint ma hisszük. A rómaiak felülcsapott, vízszintes tengelyű vízikerékkel hajtották meg vízimalmaikat: a függőleges tengelyű őrlőkövet 90o szöggel hajló „fogaskerék-áttétellel” hajtva meg. Ez a konstrukció Justinianus rendeletére hamarosan elterjedt valamennyi provinciában, s egyidejűleg átvették a kínaiak is. A kora-középkorban Arles-nál egy zsilip-rendszerrel hat „sorbakapcsolt” vízikerék hajtotta a malmokat, 18,5 m esést hasznosítva.

5. Sorbakapcsolt vízikerekek Arles-nál A korai ókortól kezdve a kohászat és fémfeldolgozás legfontosabb energiaforrása a feszén. A szénbányászat az erdők fogyásával párhuzamosan kezdett megjelenni valószínűleg a 9. századtól. Az első törvényi szabályozás 1190-ből származik a Liege környéki bányaművelés kapcsán. Angliában III. Henrik 1234-ben már csak megerősítette Newcastle upon Tyne kiváltságait a szénbányászatban. Innen bárkákon szállították a szenet Londonba, s használatát a füst és a kellemetlen szag miatt 1273-ban már korlátozták. Arlesban is megtiltották 1306-ban a kőszénnel folyó mészégetést ugyanezen indoklással. Ezek az első ismert ipari környezetvédelmi rendelkezések. Ennek ellenére a szénbányászat és hasznosítás gyorsan terjedt, mind ipari mind háztartási jelleggel (Anglia, Franciaország, Belgium, -Olaszország, Németország, Ausztria, Szilézia). A 11.-12. században a bányászat és a kohászat egyre szélesebb körben alkalmazott vízikerekeket vízemelésre, kovácsolásra, stb. A 15. századig a görög-római civilizációt s annak technikai eredményeit Bizánc és az arab világ őrizte meg, miután a Nyugat-Római Birodalom a népvándorlás nyomására összeomlott, s a korábbi eredménye csak lassan átszűrődve bizánci-arab közvetítéssel jutottak el újra a római kor szintjére. Eközben a Távol-Kelet, elsősorban Kína, majd Korea és Japán zavartalanul fejlődött tovább, s sok tekintetben több évszázados előnnyel vezetett Európa előtt. Az új anyagok, műszaki megoldások (puskapor, papír, hajózási műszerek, könyvnyomtatás) mind kínai ihletésűek. Európa csak az ipari forradalommal, a gőzgéppel, a tömeggyártással, a technológia gyors ütemű fejlesztésével kerekedett felül.

3


6. ábra Vízikerekek alkalmazása a bányászatban Az ipari forradalomig a fosszilis energiahordozók felhasználása csak marginális jelenség, alapvetően megújuló energiaforrásokat hasznosítottak. A gőzgéppel s a hirtelen megnövekedett energia-igénnyel indult be a fosszilis tüzelőanyag-készletek nagyléptékű kitermelése és felhasználása. Ez volt az ipari forradalom első szakasza. Érdekességként megjegyezhetjük, hogy az első gőzturbina-konstrukció megelőzte a dugattyús gőzgépeket. GIOVANNI BRANCA 1629-ben egy kazánból kilépő gőzsugárral egy turbinalapátkoszorút hozott mozgásba, s ezzel egy pénzverő berendezést hajtott volna. A technológiai problémákon nem lett úrrá, a berendezés nem működött kielégítően. PAPIN 1690-ben készítette el demonstratív céllal az első működő dugattyús gőzgépet. A 63 mm hengerátmérőjű gép működött, de nem végzett hasznos munkát. THOMAS SAVERY angol hadmérnök építette meg az első praktikus gőzgépet 1702-ben. Ez vizet emelt 1 LE teljesítménnyel.

4


7. ábra THOMAS SAVERY vízemelő gőzgépe NEWCOMEN 1718-ban már 4,3 LE teljesítményű gőzgépet épített, ennek hatásfoka ∼ 0,5% volt. 1774-ben SMEATON már 12,5 LE teljesítményt és 1,4% hatásfokot ért el gőzgépével. Az első, megbízhatóan alkalmazható gőzgépet 1775-ben JAMES WATT helyezte üzembe, amelyet később az alternáló dugattyú-mozgást forgómozgássá alakító hajtóművel látott el. WATT első gőzgépe 24 LE-s teljesítményre volt képes, de a kis gőznyomás miatt még csak 2,7% hatásfokot ért el.

8. ábra WATT első gőzgépe 1784-ben

5


A nyomás növelése egyre jobb gőzgép-konstrukciókhoz vezetett. A gőzhajó ROBERT FULTON (1807), a gőzmozdony GEORGE STEPHENSON (1812) találmánya, s ezzel teljessé vált Anglia technológiai fölénye a világon.

9. ábra A CLERMONT kerekes gőzhajó 1807 1801-ben PHILIPPE LEBON mutatta be az első gázlámpát Párizsban. A gázgenerátorban az izzó szén redukáló hatására a CO2 + C = 2CO egyenletnek megfelelően szénmonoxiddá alakul. A víz H2O + 2C = H2 + 2CO képlet szerint hidrogénné és szénmonoxiddá alakul. LEBON faszénnel, WILLIAM MURDOCK 1802-ben Londonban kőszénnel oldotta meg a városi gáz előállítását. 1825-re széles körben elterjedt az új fűtőanyag, világításra, háztartási és ipari célra használták.

10. ábra gyorsvonati mozdony 1885 Az ókori Mezopotámiában elsősorban a felszínre szivárgó kőolaj bitumentartalmát használták az építészetben és a hajóépítésben szigetelőanyagként. A Római birodalomban ez teljesen feledésbe merült. A középkori Itáliában Modena közelében bukkantak „hegyi olajra” 1400 körül. Lámpaolajként, kenőanyagként hasznosították. Galíciában 1649-től ásott kutakból nyertek kőolajat.

6


Az olajtermelés modern kori kezdete az USA Pennsylvania államában Oil Creek közelében 20 m-es mélységben megtalált, fúrt kúton át felszínre hozott olaj (DRAKE, 1859).

11. ábra Drake fúrótornya 1866 A belsőégésű motorok feltalálása vezetett az ipari forradalom második szakaszához, forradalmasítva a közlekedést, s meghatározó energiahordozóvá téve az olajat és a földgázt. HUYGENS a XVII. században kísérletezett, sikertelenül egy puskaporüzemanyagú belsőégésű motorral. Az első működőképes belsőégésű motort AUGUSTE LENOIR szerkesztette 1859-ben. A motor városi gáz és levegő sűrítés nélküli keverékével működött, elektromos szikra gyújtotta be a keveréket. A négyütemű motor működési elvét ALPHONSE BEAU DE ROCHAS francia vasúti mérnök ismertette 1861-ben egy kéziratos füzetben. Tőle függetlenül 1878-ban AUGUST OTTO újra feltalálta az elvet, melyet műszakilag rendkívüli tökéletességgel valósított meg.

12. ábra Fekvő hengerű OTTO motor 1878

7


RUDOLF DIESEL 1992-ben jutott a dízelmotor feltalálásához. GOTTLIEB DAIMLER 1884-ben egy akkor nagy fordulatszámú (1500/min) Otto-motorral építette meg az első gépkocsit. BÁNKI DONÁT és CSONKA JÁNOS 1892-ben készítették el az első porlasztót amellyel biztonságosabbá és gazdaságossá vált a benzinmotorok üzeme. Az autó tömeggyártását GALAMB JÓZSEF (1908) zseniálisan tervezett TFordja teremtette meg: változtatás nélkül 15 millió példánya készült el: ez máig világrekord.

13. ábra BENZ első háromkerekű gépkocsija 1885 A repülés megvalósítása is csak egy könnyű, nagyteljesítményű motorra várt. A WRIGHT-testvérek kerékpár-manufaktúrájában készült a Flyer nevű kétfedeles gép, amely 12 LE-s motorjával először 12 másodpercre emelkedett a levegőbe az ÉszakKarolina-i Kitty Hawk-ban.

14. ábra A WRIGHT-testvérek elő repülőgépe, a Flyer 1903

8


1904-ben már 45 percre volt képes a Flyer-II. Európában először a brazil ALBERTO SANTOS-DUMONT hajtott végre sikeres repülést. BLÉRIOT 1909-ben már átrepülte a La Manche csatornát. Ez időre a világ kőolajtermelése már eléri a 35 millió tonnát. Az elektromosság megjelenése és az elektromos energia tömeges alkalmazása is erre az időszakra esik. FARADAY 1831-ben demonstrálta az elektromágneses indukciót. Korábban galvánelemekkel (VOLTA) és dörzselektromos gépekkel állítottak elő elektromos áramot kísérleti jelleggel. 1833-ben PIXII szerkesztett kézzel forgatott elektromos generátort.

15. ábra PIXII kézzel hajtott elektromos generátora 1833 1866-ban szabadalmaztatta SIEMENS a dinamó-elvet permanens mágnes nélküli generátort talált fel és gyártott. 1850-ben NOLLET használta először egy világítótorony működtetésére az elektromos áramot. 1879-ben SIEMENS mutatta be a berlini ipari kiállításon az első villamos vontatású vasutat. MERITENS készítette az első váltóáramú generátort 1881-ben. Ez 830 t/min fordulatszámon 4,5 kW teljesítményt adott le. NIKOLA TESLA fedezte fel a forgó mágneses teret és a váltóáramú motort 1891ben. BLÁTHY, DÉRI és ZIPERNOWSKY 1885-ben találták fel a transzformátort, s ezzel teljessé vált a villamos energia diadalútját lehetővé tevő eszközök köre. Londonban, 1891-ben készült el a város elektromos energiaellátását biztosító deptfordi erőmű, két 10.000 LE-s dugattyús gőzgéppel meghajtva.

9


16. ábra A Paddington erőmű váltóáramú generátora 1885 Ez időben még nagy harc folyt a váltóáramú rendszerek hívei (TESLA, WESTINGHOUSE, FERRANTI) és az egyenáram-pártiak (KELVIN, EDISON) között. Amerikában dőlt el a kérdés, mert WESTINGHOUSE nyerte el 1893-ban a Niagaraerőmű megépítésére kiírt pályázatot. A nagy távolságra szállítandó elektromos áramhoz a nagyobb feszültség, a transzformátor egyértelműen a váltóáram mellett szólt. Ezután már ellenállhatatlan volt az elektromos energia diadalútja. Európa második városi villamosvilágítási rendszere Temesváron létesült, amit a Bégán épített 1680 LE-s vízi erőmű 3 turbinája hajtott. A villamos generátorok meghajtására ideális gépnek bizonyultak a vízturbinák, később a gőz- és gázturbinák. A vízenergiával hajtott generátorok mellett túlnyomórészt széntüzelésű erőművekben állították elő a turbógenerátorokat hajtó gőzt. Ez volt az ipari forradalom második fázisa. A szén még meghatározó a fosszilis tüzelőanyagok között a villamos erőművekben, de a közlekedés egyre nagyobb tömegű olajat igényelt. Angliában még 1960-ban is a tüzelőanyagok 60%-a szén, 25%-a olaj. Az energiahordozók még olcsók voltak, környezetkárosító hatásukkal alig törődtek (londoni köd, Los-Angelesi smog). Az 1950-es évektől számíthatjuk az ipari forradalom harmadik szakaszát. A villamos energia, az olaj és a gáz szállítására, elosztására nemzetközi hálózatok épülnek. Kiteljesedik a Közel-Kelet és Északafrika olaj- és földgáztermelése. Megjelenik a

10


háború után a nukleáris forrásra alapozott elektromos energiatermelés. Végetér az olcsó energiahordozók kora (1967-es Közelkeleti háború) megjelenik a takarékos, környezetkímélő energiapolitika, a megújuló energiaforrásokra irányul a figyelem. A mai társadalom, kiváltképpen az iparilag fejlett országokban teljesen energiafüggő és óriási mennyiségű energiát fogyaszt. Ezek túlnyomó része fosszilis energiahordozók elégetéséből származik. A világ népességének teljes energiafogyasztását közelítőleg évi 440 EJ-ra becsülik. Ez egyenértékű 10,45⋅109 tonna olaj (mtoe) energiatartalmával. A Föld lakossága napjainkra elérte a 6 milliárd főt, ez azt jelenti, hogy az emberiség minden egyede, aggastyánok, csecsemők, vándorló bantu vadászok beszámításával fejenként évente átlag 1,74 tonna olaj energia-egyenértékét fogyasztja el. Ez természetesen nem egyenletesen oszlik meg a világ különböző országai között. Az USA és Kanada lakosaira évente 7,5 t jut, a fejlett Nyugateurópában 3 t, az energiapazarló egykori szovjet tömb országaiban közel 4 t, míg az ún. fejlődő és gyengén fejlett országokban a fél tonnát sem éri el. Az energiahordozók megoszlása ezen belül változó. Az olajfelhasználás 33%, a széné 22%, a földgáz részesedése 20%, a vízienergia 6%, a nukleáris forrás 5%, egyéb, főleg biomassza 14%. Az energiafelhasználás fő területei • az ipari (és mezőgazdasági) ágazat • a szállítás és személyforgalom • intézményi fogyasztás (iskolák, kórházak, áruházak, hivatalok, stb.) • háztartási fogyasztók Az ipar energiafogyasztásának legnagyobb részét a vas- és acélipar, valamint a vegyipar képezi. Természetes, hogy a megmunkáló gépek, az építőanyag-ipar, élelmiszer- és konzervipar is jelentős energiafogyasztó. A munkahelyek fűtésére, klimatizálására fordított energia sem kevés. A mezőgazdaságban a munkagépek hajtása, melegházak, istállók fűtése, terményszárítás igényel sok energiát. Az ipari szektor a leggazdaságosabb energia-felhasználó. A fogyasztás koncentrált, gyakori a kombinált villamosenergia és hőtermelés. A megtakarítások az energiaigényes technológiák hatásfokának javításával, jobb hatásfokú motorok, gépek alkalmazásával, az energiaigényes alapanyagok (alumínium) gondosabb felhasználásával, az előállított termékek gyártási folyamatainak rövidítésével érhetők el. A szállítás energiaszükséglete a mai ipari társadalmakban meghaladja a termékek előállítására fordított energia mennyiségét. (Angliában 25% ipari fogyasztással szemben 32% a szállításban felhasznált energia). A közúti fuvarozás és személyforgalom mintegy 80%-át teszi ki a szektor energiafelhasználásának. Ennek mintegy háromnegyede a személyautóforgalom. A szállításban a villamosított vasútvonalak kivételével szinte kizárólag az olajból nyerik az energiát. Csupán érdekesség, hogy Kína és India vasútvonalainak egy részén még mindig széntüzelésű gőzmozdonyok járnak. Az olaj (és származékainak) használatát a közlekedésben elsősorban nagy fajlagos energiatartalmuk, könnyű tárolásuk és még mindig viszonylagos olcsóságuk indokolja. Másfelől: a szénhidrogének elégetésekor a gépjárműmotorok elég korlátozott hatásfokúak: a kémiailag kötött energia kisebbik hányada alakul kinetikus energiává, nagyobbik része

11


hőveszteség. Érdemes figyelmesen áttekintenünk az alábbi táblázatot itt az egy utas által kilométerenként elhasznált energia értékeit találjuk MJ-ban: Nagyteljesítményű benzines luxus v. sportautó Boeing 737 Nagyteljesítményű dízel gépkocsi Kisteljesítményű benzinüzemű személygépkocsi Kisteljesítményű dízelszemélygépkocsi Motorkerékpár Autóbusz Minibusz Vasút (elektromos, IC) Vasút (elővárosi, elektromos) Kerékpár

32, MJ/utaskm 2,4 2,4 1,7 1,5 1,5 0,9 0,7 0,5 0,45 0,1

A közúti járművek energiafogyasztásának jelentős hányadát megtakaríthatjuk a vezetési stílus és az utazási sebesség helyes megválasztásával, a jármű befogadóképességének jobb kihasználásával, s nem utolsó sorban az utók energiafogyasztásának csökkentésében. A mai középkategóriás kocsik 6-7 l/100 km fogyasztását könnyűszerrel csökkenthetnék 4-5 l/100 km értékre. Pl. egy kísérleti Toyota vegyes városi és autópályás üzemben 3,5 l/100 km fogyasztást ért el. Egy autógyártók együttműködésével (Volvo, Lotus … stb.) épült E-autó 1,9 l/100 km fogyasztott 90 km/h sebességnél. Életmódváltással, a tömegközlekedés javításával, takarékossággal jelentősen csökkenthetjük a szállításra fordított energiát. A háztartások energiafogyasztásában a fűtés, klimatizálás, világítás, sütés-főzés, vízmelegítés (tisztálkodás, mosás) és a háztartási elektromos készülékek működése játszik szerepet. Az energiafogyasztás mintegy 85%-át viszonylag kis hőmérsékletű (〈80oC) hő alkotja. Ez vagy nagyhőmérsékletű füstgáz, vagy elektromos energia felhasználásával történik. Főleg ez utóbbi, igen rossz hatásfokú: a veszteségek az áram előállításakor jelentkeznek. Itt elsősorban takarékossággal, az épületek hőszigetelésével, energiatakarékos új épületek hőszigetelésével, energiatakarékos új épületek tervezésével segíthetünk. A svéd kormány a 70-es években 30%-os fűtéscsökkentést tűzött ki célul. Kezdetben 100%-os vissza nem térítendő állami hozzájárulást adtak az épületek hőszigeteléséhez, felvilágosító programokat indítottak, műszaki tanácsadók segítették az építkezőket. A 90-es évekre elérték a célt, a fűtési energiafelhasználás 30%-ban csökkent. Az újabb bojlerek, kazánok hatásfoka is eléri a 80%-ot, a régiek 40-60%-os hatásfokával szemben. A világítással is sokat takaríthatunk meg a fluoreszcens villanykörték, a kompakt izzók alkalmazásával. Az intézményi energiafogyasztás meglehetősen hasonló szerkezetű, mint a háztartásoké. Itt nagyobb hőfogyasztó egységekről lévén szó, egyszerűbb a hatásfokjavítás. Egyes becslések 50% fűtési, klimatizálási, világítási energia-megtakarítást is elérhetőnek tartanak. A jelenlegi mértékű és szerkezetű energiafogyasztás komoly környezetterhelést okoz. Ezek közül leggyakrabban a globális felmelegedésről esik szó. Ez a levegő hőmérsékletének folyamatos növekedését jelenti. Ma a kutatók többsége évtizedenként 0,3 oC-os melegedést prognosztizál, s ezt az atmoszférában növekvő koncentrációjú széndioxid okozza, fékezve a Föld hő-kisugárzását. Jelenleg a CO2 emisszió évente

12


6⋅109 t, azaz hatmilliárd tonna. A légköri CO2 koncentráció stabilizálásához ezt mintegy hatodrészére kellene csökkenteni. Hogy ne kerüljön sor megfordíthatatlan változásra halaszthatatlan a fosszilis tüzelőanyagok használatának csökkentése. A CO2 emisszió csökkentésének lehetőségei közt nagyon fontos az erdősítés, (a fotoszintézis CO2-t fogyaszt) a keletkezett CO2 visszasajtolása a tenger mélyrétegeibe, vagy kimerült földgáz-tároló rétegekbe. A CO2-n kívül üvegházhatást okoz a metán is (CH4) valamint a hűtőgépekben használt freon, általában a több atomból álló, bonyolultabb molekulaszerkezetű gázok. A globális felmelegedés kétségbevonhatatlan jelei a sarkvidéki jég és a gleccserek jegének visszahúzódása, klímaváltozás, az időjárás szélsőségesebbé válása, a tengerek vízszintjének máris megfigyelhető emelkedése. Másik mellékhatása a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének a savas esők megjelenése. A kéndioxid és a nitrogénoxid a légkörbe kerülve a vízzel kénessavat ill. a nitrogén változatos savait képezik. Ennek eredménye, hogy a legtöbb eső enyhén savas. A savas eső károsítja a növényzetet, esetenként komoly veszélyt jelent az erőkre, erodálja az épületeket, korróziót okoz a fémszerkezetekben. A kéndioxid kibocsátásának 70%-áért az erőművek felelősek. Elsősorban a széntüzelésű erőművek termelnek sok kéndioxidot, de egyes olajok is meglepően magas kéntartalmúak (0,5-5,0%). A legtisztább fosszilis fűtőanyag a földgáz: a jól előkészített gáz gyakorlatilag nem tartalmaz SO2-t. A széntüzelésű erőművekben a füstgázt gyakran vezetik át kalcium-karbonát zagyon, ez kiszűri a kéndioxidot és gipsszé alakítja. Ez valamelyest rontja az erőmű hatásfokát, mivel: a gazdaságossági szempontok erősebben érvényesülnek a környezetvédelminél, gyakran mellőzik a füstgáz kéntelenítését. A tengerek olajszennyezése a tankhajók időnként megismétlődő szerencsétlenségeinek szomorú kísérőjelensége. A tenger és a partok élővilága igen súlyosan károsodik. Az utóbbi 15 évben csaknem 200 tankhajó-baleset történt. Eddig legsúlyosabb az Alaszka partjainál hajótörést szenvedett Exxon Valder balesete volt, 39 000 t olaj ömlött az óceánba, több mint 2500 km2 területet elszennyezve. A II. világháború után általánosan elfogadott nézetté vált, hogy a nukleáris energia oldja majd meg az emberiség hosszú távú energiagondjait. Ez nem következett be. Franciaországban és Belgiumban dominánssá vált a nukleáris forrású elektromos energiatermelés, de világszerte mindössze 6% az arány. Az 1986-ban bekövetkezett csernobili balesetet követően nagyon megerősödött a társadalom ellenállása a nukleáris erőművekkel szemben. A mi paksi balesetünk kezelése sem igazán megnyugtató. Az erősen centralizált, koncentrált energiatermelő kapacitás természeti katasztrófák, vagy terrorista támadás esetén sérülékeny és beláthatatlan káros következményekkel járhat. A többi energiahordozó használatát jobban kézben tudjuk tartani. Pl. nem tudjuk minden részletében, hogy a nagy hőmérséklet és az erős sugárzás együttes fellépése károsan befolyásolhatja a szerkezeti anyagok viselkedését: az extrapoláció nagyon megbízhatatlan. Igen nagy az erősen sugárzó hulladék: egyrészt a kiégett fűtőelemek, másrészt szerkezeti anyagok radioaktív izotópokként módosulnak évezredekig sugározva. Az élettartam lejártával az erőművek felszámolása sem kidolgozott technikailag. A biztonsági normák tovább szigorítása elkerülhetetlen szükségszerűség.

13


ALAPFOGALMAK Az energia a tágabb értelemben vett anyag egyik lehetséges megjelenési formája, objektív fizikai realitás. Olyan univerzális skalár mennyiség, amely egy zárt anyagi rendszer bármilyen állapotváltozásánál időben állandó marad. Bármely zárt anyagi rendszerhez hozzárendelhető egy energiafüggvény, ami az állapothatározók egyértékű skalár függvénye. A különféle állapothatározóktól függő egyes tagok másmás energiafajtát jelentenek. A mechanikai adatokkal jellemezhető energiafajtákat mechanikai energiának szokás nevezni: ide tartozik a mozgási-, forgási, rugalmas energia. A mechanikai változóktól nem függő, nyugvó test energiája a belső energia. Bár nem belső energiaként szokták figyelembe venni, de a mechanikai állapottól független a kémiai kötésekben tárolt energia és az atommagot összetartó energia is. A belső energiának nevezett energiafajta az anyag mikroszkopikus szerkezetében tárolt energia, amely a rendszer termodinamikai állapotának egyértékű függvénye. Tehát a belső energia a rendszer állapotjellemzője. Nem csupán a nyugalmi tömeggel bíró anyagnak, hanem a különböző mezőknek (gravitációs, elektromos, mágneses) is van energiája. A fizika egyik alaptörvénye az energia megmaradásának törvénye: energia nem keletkezhet, és nem semmisülhet meg, csak átalakulhat egyik formából a másikba. Ha egy anyagi rendszer és a környezete között kölcsönhatás keletkezik, a rendszer vagy energiát vesz fel a környezetétől, vagy energiát ad le. Minden természeti vagy műszaki folyamat energiaátadással jár. A rendszer határán a kölcsönhatás során átvitt energiamennyiség a munka. A munka nem az energia egyik megjelenési formája, csupán egy energiaátviteli forma. Az energia a rendszer állapotát, a munka a kölcsönhatás folyamatát jellemzi. Az energiát a rendszer tárolja, az energiatartalom jól meghatározható. A munka, amint a rendszerhatáron áthaladt, megszűnik s átalakul valamilyen (mozgási, belső) energiává. A kölcsönhatások sokféleségének megfelelően minden kölcsönhatáshoz egy jellemző munka tartozik. A klasszikus definíció szerint a mechanikai munka az erő és az erő irányába eső elmozdulás szorzata. Ez a munka és az energia azonos mértékegységének alábbi definícióját teszi lehetővé: 1 N erő 1 m úton 1 joule munkát végez. A rendszer és környezete között termikus kölcsönhatás keletkezik, ha hőmérsékletük különbözik. Ilyenkor a rendszer határán a munkával sok szempontból rokon energiaközlési forma a hő jelenik meg. A hő sem energia, nem a rendszer állapotát, hanem a hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő folyamatot jellemzi. A rendszerhatáron áthaladó hő tehát megszűnik, belső energiává alakul. Az energia a munka és a hő azonos dimenziójúak, azonos mértékegységgel mérhető mennyiségek. Amikor az anyagi rendszer környezetével egyidejűleg mechanikai és termikus kölcsönhatásban van a belső energia mellett egy mechanikai tag is megjelenik: az egységnyi tömegű anyagra ható nyomóerők terének potenciális energiája, röviden a nyomási energia. A kettő összege az entalpia, ami természetesen energiadimenziójú mennyiség, mértékegysége a joule. Az i=u+

p ρ

(1)

egyenlettel definiálhatjuk, ahol u a belső energia fajlagos - egységnyi tömegű anyagra vonatkoztatott – értéke, p a nyomás, ρ a közeg sűrűsége. A belső energia egy


nyugalomban levő zárt rendszert, míg az entalpia egy nyitott rendszert jellemez, amelyen átáramlik a közeg, mint pl. egy gőzturbinán. A fajlagos belső energia és a fajlagos entalpia mértékegysége nyilvánvalóan J/kg, vagy KJ/kg.

1. ábra Környezetével mechanikai és termikus kölcsönhatásban álló rendszer Az energia-megmaradás tételét mennyiségi viszonyok formájában is kifejezhetjük. Ha egy zárt anyagi rendszer környezetével termikus és mechanikai kölcsönhatásban van, tehát ha határfelülete hőáteresztő és elmozdulhat (1. ábra), akkor a Q12 = U2 – U1 + W12

(2)

összefüggés érvényes. E szerint a rendszerrel közölt Q12 hő egyrészt a belső energiát (U2-U1) növeli, másrészt a W12 térfogatváltozási munkát fedezi. Súrlódásmentes esetben a térfogatváltozási munka azonos a rendszer környezet felé végzett hasznos munkájával. Ez a termodinamika első főtétele. Legfontosabb gyakorlati következménye, hogy mechanikai munkához – térfogatváltozási munka alakjában – csak belsőenergiaváltozás, vagy hőközlés útján juthatunk. Az olyan hőerőgép, amely más energiafajta felhasználása nélkül végezne mechanikai munkát lehetetlen, úi. elsőfajú perpetuum mobile, azaz örökmozgó lenne. Ha egy anyagi rendszer nyitott, azaz a termikus és a mechanikai kölcsönhatás & tömeg áramlik rajta keresztül, a belső energia helyett az közben időegységenként m entalpiával fejezhető ki az első főtétel: & (i 2 − i 1 ) + [W12 ]T Q 12 = m

(3)

WT a nyitott rendszer által végzett technikai munka. Egy erőgép (pl. gőzturbina) esetén a technikai munka a rendszer kifelé, a környezet felé végzett munkáját jelenti, előjele pozitív. Munkagép (pl. turbókompresszor) esetén a nyitott rendszeren átáramló közeg energiatartalmának növelésére kívülről betáplált munkát jelenti, ennek előjele mindig negatív.

2


Meg kell még ismerkednünk az entrópia fogalmával, ami az állapotváltozások lefolyásának irányát jellemzi. Makroszkopikusan termikus egyensúlyban lévő zárt rendszerben, amelyet valamilyen gáz tölt ki, a molekulák sebessége a gyakori ütközések folytán állandóan változik. Hasonlóképpen, teljes véletlenszerűséggel változik az egyes molekulák mozgási energiája is. Ennek ellenére a p nyomással és a V térfogattal az általános gáztörvény alapján meghatározott makroállapot megváltozását mindaddig nem észleljük, amíg a molekulák véletlenszerű, rendezetlen mozgásának átlagsebessége változatlan marad, ugyanis

1 pV = m o Nc 2 3

(4)

Itt p a nyomás, V a térfogat, mo a molekula-tömeg, N a molekulák száma, c az átlagsebesség. Teljesen közömbös és érdektelen számunkra az is, hogy egyedileg melyik molekula milyen energiaszinten tartózkodik, ha minden energiaszinten – tetszés szerinti időátlagban – azonos számú molekulát találunk. Belátható, hogy nagy számú részecskéből álló rendszer ugyanazon makroszkopikus állapotát igen nagy számú mikroállapot eredményezheti. A termodinamikai rendszer a környezettől függően számos makroállapotba kerülhet. A legvalószínűbb állapot a termikus egyensúly. Valamely makroállapot termodinamikai valószínűségének azoknak a mikroállapotoknak a számát (n) tekintjük, amelyek ugyanazt a makroállapotot eredményezik. A legvalószínűbb makroállapot az, amelynek a legnagyobb számú mikroállapot felel meg, tehát amelyre n a legnagyobb. Ha a rendszer pl. kismértékű energiaközlés hatására egyensúlyi helyzetéből kibillen, akkor a részecskék egy része a korábbinál magasabb energiaszintre kerül. A részecskék kölcsönhatása folytán a magára hagyott rendszer spontán kiegyenlítődési folyamatokkal az adott feltételek melletti legvalószínűbb állapot, az új termikus egyensúly felé sodródik. Az új egyensúlyi állapot kialakulása közben átmenetileg kisebb valószínűségi állapotok is kialakulhatnak, ezek azonban gyorsan megszűnnek és a nagyobb valószínűségű állapotok jönnek stabilan létre. A rendszer termikus egyensúlyi állapotának jellemzésére célszerű olyan állapothatározót definiálni, amely a rendszer állapotának termodinamikai valószínűségével összefügg. Az s = s(n) függvényt CLAUSIUS vezette be és entrópiának nevezte. Az entrópia a kiterjedéssel arányos extenzív mennyiség, hiszen n egyébként azonos feltételek esetén a rendszer méretének és az eloszlási lehetőségek számának is függvénye. Ha az n1 és n2 egyensúlyi valószínűségű rendszereket egyesítenénk, az új rendszer egyensúlyi valószínűsége n = n1 ⋅ n 2

(5)

volna. Az entrópia értékei, mivel extenzív mennyiségek összeadódnak: s = s1 + s2

3

(6)


Az egyesítés utáni új rendszerben az s(n1 ⋅ n 2 ) = s1 (n1 ) + s 2 (n 2 )

(7)

összefüggés érvényes, ezt pedig az s = k ln n

(8)

függvény elégíti ki, ebben k a BOLTZMANN-állandó. Zárt termodinamikai rendszer magára hagyva a legnagyobb valószínűségi állapot felé, az entrópia maximuma felé törekszik. Ezt a megállapítást a termodinamika második főtételének nevezzük. ds ≥ 0

(9)

Ha a rendszer nem zárt, entrópiája – hőleadás során – csökkenhet is. Az s entrópia állapotjelző: az elemi entrópiaváltozás ds =

dq T

(10)

az elemi hőközlés és az abszolút hőmérséklet hányadosa. A közölt elemi hő viszont a dq = Tds

(11)

alakban írható fel. A formulából kiderül, hogy az entrópia a termikus kölcsönhatás jellemző extenzív mennyisége. Általában az energiaváltozás a jellemző intenzív változó, -itt ez most a hőmérséklet- és a jellemző extenzív megváltozásának szorzata. Az entrópia nem megmaradó mennyiség, értéke minden valóságos folyamatban növekszik. Az entrópia segítségével a T-s diagramon lehetővé válik a közölt hő szemléletes ábrázolása. Az energetikában általában a joule sokszorosát használják, ezekhez a nagyobb egységekhez a következő többszörösöket és prefixumokat használják. 1 J = 1 Nm: 1 KJ (kilojoule) = 103 J 1 MJ (megajoule) = 106 J 1 GJ (gigajoule) = 109 J 1 TJ (terajoule) = 1012 J 1 PJ (petajoule) = 1015 J 1 EJ (exajoule) = 1018 J A szemléletesség kedvéért gyakran használják az 1 tonna olaj egyenértékét, főleg a gazdasági és a politikai szférában: 1 Toe = 41,85 GJ A teljesítmény az egységi idő alatt végzett munka, vagy az egységi idő alatt közölt hő:

4


P=

W Q , vagy P = t t

(12)

Mértékegysége a watt. 1 watt = 1 J/s. A wattnak a joule-lal azonos prefixumú többszörösei vannak, kW, MW, GW, TW … stb. A villamosiparban viszont a teljesítményből számított munka, illetve energia-egység honosodott meg. 1kilowattóra=1kilowatt teljesítménnyel végzett munka 1 órán keresztül vagy

1 kWh = 3600 KJ 1 MWh = 3600 MJ

A műszaki gyakorlatban gyakran használjuk az energiaforrás, energiafelhasználás, energiaveszteség fogalmakat, amelyek az energia-megmaradás tételének ismeretében téves fogalmaknak tűnnek. Ha két rendszer között kölcsönhatás keletkezik, az energiát leadó rendszert energiaforrásnak, az energiát fogyasztót pedig energia-felhasználónak nevezzük. Az energiaforrás és a fogyasztó össz-energiatartalma természetesen állandó. A kölcsönhatások közben mindig létrejön a szóban forgó folyamat szempontjából nem szükséges energiaátadás is, amely csökkenti a hasznosítható energia mennyiségét. A mechanikai munkavégzés mellett megjelenik a súrlódási hő. Mint energia ez sem vész el, hiszen mechanikai munkából belső energiává alakul, de a megkívánt folyamat, pl. szállítás szempontjából nem hasznosul, ez az energiaveszteség. Az energiaveszteség a folyamatok lényegéből következik, semmilyen energiafajtát nem lehetséges teljes mennyiségében egy bizonyos, megkívánt energiafajtává átalakítani. Egy meghatározott hányad egy másfajta energiává alakul: az energiaveszteség ez a hányad. Megjelenése törvényszerű, elkerülhetetlen, legfeljebb aránya csökkenthető. A folyamatban céljainknak megfelelően hasznosuló energiamennyiséget az összes átvitt energia mennyiségével összehasonlítva kapjuk a hatásfokot: η=

Whasznos P , vagy η = hasznos Wösszes Pösszes

(13)

A hatásfok érték mindig kisebb egynél, vagy mindig kisebb, mint 100%. Az egyes energiafajták rendszerint valamilyen hordozó közeghez, az ún. energiahordozóhoz kötöttek. Érdekes összehasonlításra ad módot, ha megvizsgáljuk, hogy egységnyi tömegű anyag az egyes energiafajtákból mennyit tartalmazhat. Egy 100 m-es magasságban lévő 1 kg tömegű test helyzeti energiája a gravitációs térben 981 J, tehát alig 1 KJ. Ha 100 m/s sebességgel mozog ugyanez a test, mozgási energiája 5 KJ. 1 kg 100 oC-os forró víz hasznosítható belső energiája a 15 oC-os környezethez képest 355,9 KJ. 1 kg kőszén tökéletes elégésekor 25.000 KJ, 1 kg kőolaj égésekor 40.000KJ, míg 1 kg földgáz elégésekor 50.000 KJ energia szabadul fel. 1 kg 235-ös U izotóp meghasadásakor 8*1010 KJ energia keletkezik. A legkoncentráltabb energiahordozók tehát a hasadóanyagok, a kémiai kötésekben tárolt energia is igen jelentős. A belső energiát is nagyobb „töménységben” tartalmazhatja a hőhordozó közeg, mint a mechanikai energiát. Mégsem alárendelt jelentőségű még a helyzeti energia sem: Kínában a Jangce folyón épült erőmű 180 m-rel duzzasztja fel a folyó vizét, azaz 1 kg

5


víz helyzeti energiája 1,8 KJ. Ám a Jangce vízhozama itt átlagosan 20 millió kg/s, s az erőmű teljesítménye 18,2 GW, tehát 18.200 MW. Összehasonlításul a Paksi atomerőmű 1.800 MW teljesítményű. Az ipari társadalom energiaszükségletének túlnyomó részét a kőszén, a kőolaj és a földgáz elégetésekor végbemenő kémiai reakcióban felszabaduló energiából fedezi. Ezek a tüzelőanyagok a földtörténeti múltban sokmillió évvel ezelőtt keletkeztek, az akkori szerves anyagból létrejött „kövületek” azaz fossziliák. Ezért szokás ezeket fosszilis tüzelőanyagoknak nevezni. A fosszilis tüzelőanyagokat tehát a földkéregből bányászati módszerekkel hozzák felszínre. A világ fosszilis energiahordozóinak termelése 2002-ben: Kőszén Kőolaj Földgáz

11.800 Mt 3.557 Mt 2.528 Tm3

A ma ismert készletek és az évi kitermelés mértékének ismeretében arra számíthatunk, hogy a kőolaj 40, a földgáz 60. és a szénkészletek 150 év alatt várhatóan kimerülnek. A fosszilis energiahordozók elégetésének egy igen kedvezőtlen következménye a légkör szennyezése a keletkező égéstermékekkel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkező égéstermékek fajlagos mennyiségét – 1 TJ = 109 KJ felszabaduló hőre vonatkoztatva az alábbi táblázatba foglaltuk:

Kőszén Olaj Földgáz

SO2 420 140 -

NOx 40 35 35

CO 5000 70 70

CO2 94000 78000 52000

A környezetvédelem szempontjai valamilyen alternatív energiaforrás bevonására ugyancsak figyelemreméltóak. A nukleáris erőművek sem jelenthetnek mindenre megoldást. Egyfelől a hasadóanyag-készletek is végesek, másrészt a Csernobil óta tudatosodott balesetveszély, a radioaktív hulladékok hosszú ideig tartó biztonságos tárolása, a kiöregedett atomerőművek lebontása, anyagának biztonságos tárolása nem teljesen megnyugtatóan rendezett. A fenntartható fejlődés igénye olyan további, új energiaforrások felhasználását igényli, amelyek történelmileg belátható idő alatt sem merülnek ki, hanem szakadatlanul megújulnak. Ezeknek a megújuló energiaforrásoknak kiaknázását nem halogathatjuk tovább. A megújuló energiaforrások között legjelentősebb a napenergia. A Napból a Földre elektromágneses hullámok – elsősorban a fény látható spektruma – formájában érkező energia mintegy 13 000-szerese az emberiség jelenlegi energiafelhasználásának. Közvetve a napenergia a forrása a víz és a szélenergia sőt a biomassza energiájának is. A vízienergia-hasznosításnak jól kimunkált, környezetvédelmi szempontból is elfogadható módszerei vannak, a világ energiatermelésének mintegy 6,5%-a származik vízi energiából. A biomassza energetikai hasznosítása viszont elsősorban a fejletlen országokban eltüzelt fából származik, a korszerű módszerek alkalmazása sokkal szerényebb hányadot ad. A geotermikus energia a Föld belső nagy hőmérsékletű tartományainak belső energiája. Határeset a fosszilis és a megújuló energiák között. Kitermelésének módszerei eszközei a kőolajiparban kidolgozottak, az olajkészletek kimerülése a

6


geotermikus energiatermelésre predesztinálja a szakmát. A megújuló energiaforrások közül ez az egyetlen amely bányászati módszerekkel hasznosítható. Ez az oka, hogy a későbbiekben a Földtudományi Kar hallgatói ezt ismerhetik meg a legrészletesebben. GŐZFEJLESZTÉS, GŐZKÖRFOLYAMATOK

A műszaki gyakorlatban a gőzturbinák, vagy a hőszivattyúk hőhordozó, munkavégző közege valamilyen gőz. Ez nem csupán a fosszilis energiahordozókat eltüzelő hőerőművekben történik így, de a megújuló energiák pl. a napenergia, vagy a geotermikus energia hasznosításakor is. A leggyakrabban használt gőz a vízgőz, amely a szinte korlátlanul előforduló vízből hőközléssel állítható elő. A víz és a vízgőz előnyös termodinamikai tulajdonságai, nagy energiatároló képessége mellett további előnye, hogy nem károsítja a szerkezeti anyagokat és a természeti környezetet. A gőz a vízből párolgás és forrás útján keletkezhet. Párolgáskor csak a víz felületén jelentkezik gőzképződés. Ha eléggé erős a hőközlés, a víz az adott nyomáshoz tartozó forráspontot elérve forrni kezd: nemcsak a felszínen, hanem az edény falán és a víz belsejében is gőzbuborékok keletkeznek s a felszínre emelkedve a vízfázisból kilépnek. A víz hőmérséklete mindaddig nem változik, míg teljes tömegében gőzzé nem alakul. Az ehhez felhasznált fázisátalakulási, vagy rejtett hő fajlagos értéke az adott nyomáson meghatározott érték. A gőz kondenzációja során e rejtett hő elvonásával a gőzfázis visszaalakul folyadékfázissá.

2. ábra Gőzfejlesztés folyamatának modellje Az ipari gyakorlatban a gőzfejlesztés állandó nyomáson gőzkazánokban történik. A folyamat modellje a 2. ábrán látható szabadon mozgó dugattyúval lezárt henger. A kezdeti állapotban a hengert kitöltő egységnyi tömegű és To hőmérsékletű vo fajtérfogatú vizet melegítjük (a). A hőközlés hatására a p = áll. Nyomáson növekszik a víz hőmérséklete és kis mértékben a térfogata is. Egy bizonyos idő elteltével a víz a forráspontig melegszik, ekkor a hőmérsékletnövekedés megáll. Ezt a határállapotot, amikor még nem lépnek ki gőzbuborékok a vízből, és nem mozdítják el a dugattyút a p gőzfejlesztési nyomáshoz tartozó Ttel telítési, vagy forrásponti hőmérsékletnek nevezzük és a forrás kezdetének tekintjük (b). Eddig a folyadék Q1 hőmennyiséget vett fel.

7


Tovább folytatva a hőközlést Qx hő közlése után egyre több vízmolekula lép ki a vízfázisból gőz alakjában. A folyadéktükör fölött x tömegű gőz helyezkedik el, amely V = x(V”-V’)

(14)

Térfogatot foglal el, ahol x a fajlagos gőztartalom [kg gáz/kg víz] V” a száraz, telített gőz térfogata, [m3/kg], V’ a telítési hőmérsékletű forró víz térfogata. A gőztérfogat megnövekedése elmozdítja a dugattyút. A hengert most két különböző fázisú víz: forró víz és gőz tölti ki egyidejűleg. Az ilyen vegyes fázisú rendszert nedves gőznek, vagy nedves telített gőznek nevezzük (c). A forrás folyamata befejeződik, amikor Q2 hőmennyiség felvétele után az utolsó folyadékfázisú vízmolekula is gőzzé válik. Ilyenkor a dugattyú alatti hengerben ún. száraz telített gőz helyezkedik el, V” térfogattal, x = 1 fajlagos gőztartalommal (d). A forrás megkezdésétől a száraz telített gőz-állapot bekövetkeztéig a rendszer hőmérséklete állandó maradt. Ennek az a magyarázata, hogy mindaddig, amíg a rendszer teljes tömege gőzzé nem alakult, a közölt hő nem a hőmérsékletet növeli, hanem a még gőzzé nem vált víz fázis-átalakítását fedezi. Ezért nevezik a gőzzé válási, fázisátalakulási folyamatban felvett hőt rejtett (latens) hőnek. A száraz telített gőz további hőközlés hatására tovább melegszik, száraz túlhevített gőzzé alakul, hőmérséklete Tth, térfogata V’’’ lesz, és a rendszer a táguló gázokhoz hasonlóan viselkedik (e). A gőzfejlesztés most ismertetett folyamatát célszerű az ún. T-s diagramon az s fajlagos entrópia és a T hőmérséklet változásaként ábrázolni. Az entrópia az anyag molekuláris rendezetlenségének mértéke. Az elemi entrópiaváltozás ds =

dq T

(15)

A közölt elemi hőmennyiség, és a hőközlés hőmérsékletének hányadosa. A közölt elemi hő

dq = T ds

(16)

A T-s diagramon ábrázolva egy termikus állapotváltozást, a görbe alatti terület ∆s magasságú, Ti és Ti+1 hosszúságú párhuzamos oldalakkal határolt trapézokra bontható. Az elemi hőközlés jó közelítéssel a

Tds ≅

Ti + Ti +1 ∆s 2

(17)

területtel ábrázolható. Az állapotváltozás során közölt hő az elemi hőmennyiségek, összege: n

Q=∑ i =o

Ti + Ti +1 T  T ∆s =  o + T1 + T2 + ... + Tn −1 + n ∆s 2 2  2

8

(18)


Ha tehát a T-s diagramon ábrázolunk egy termikus állapotváltozást az állapotváltozás görbéje alatti terület adja meg a közölt hőt (3. ábra).

3. ábra A közölt hő ábrázolása T-s diagrammon A gőzfejlesztési folyamatot különböző p = állandó nyomásokon megismételve a tenziógörbék sorozatát kapjuk, ezek a T-s sík ordinátáján kijelölt 0 pontból indulnak ki. A 0 és 1 pont közötti szakaszon, ahol a víz forráspontig való melegítése történik, a különböző nyomásokon adódó görbék egymáshoz közelítenek. Minél nagyobb nyomáson történik a gőzfejlesztés, annál rövidebbek az 1 és 2 pont között egybeeső állandó nyomású és a rejtett hő közlése alatt állandó hőmérsékletű szakaszok: egyre csökken az r rejtett hő értéke. Végül egy határ, vagy kritikus nyomáshoz érkezve a víz fázisátalakulás nélkül megy át forró víz állapotból, túlhevített, száraz gőzállapotba. Ilyenkor a rejtett hő értéke, a fajtérfogat-változás és az entrópia-változás értéke is egyaránt zérus. A víznél ez az állapot pkr = 225 bar Tkrit = 375 oC mellett következik be. A tenziógörbék 1 jelű pontjait összekötve a k kritikus pontig az ún. alsó határgörbét, míg a 2. jelű pontokat összekötve a felső határgörbét kapjuk. Az alsó határgörbéhez x = 0 fajlagos gőztartalom, (tiszta vízfázis) míg a felső határgörbéhez az x = 1 fajlagos gőztartalom (tiszta gőzfázis) tartozik. A „harang-görbe” alakú határgörbe alatt mindenütt nedves gőz állapotot találunk. Mindezt a 4. ábrát tekintve könnyen megérthetjük. A gőzfejlesztés célja tehát a minél nagyobb energiatartalmú, száraz, túlhevített vízgőz előállítása. A gőzfejlesztés folyamata a felhasznált hő eredetétől függetlenül ugyanaz. Teljesen mindegy, hogy fosszilis tüzelőanyag elégetéséből, meghasadásból, vagy a napenergiából nyerjük. A gőz belső energiatartalma a túlhevítéssel éri el a maximumot. A cél nyilvánvalóan az, hogy ennek minél nagyobb hányadát mechanikai munkává alakítsuk. A belső energia folyamatos átalakítása munkává csak körfolyamat: ciklikusan ismétlődő állapotváltozások révén lehetséges.

9


4. ábra Gőzfejlesztés folyamata a T-s diagaramon A műszakilag megvalósítható körfolyamatok száma igen nagy: a belsőégésű motorokban az Otto és a dízel-körfolyamat, vagy a gázturbinák által megvalósított Joule-körfolyamat közismert. A túlhevített vízgőz belső energiájából a ClausiusRankine körfolyamat révén nyerhetünk munkát. Ez a következőképpen történik: A gőzfejlesztéshez használt vizet a kazántápszivattyú szállítja a kazánba, ahol a hőközlés történik. Korszerű kazánokban akár 100-150 bar is lehet a gőzfejlesztési nyomás. A víz először a Ttel telítési hőmérsékletig melegszik, majd a rejtett hő felvételével száraz, telített gőzzé alakul, állandó hőmérsékleten. A száraz telített gőz a túlhevítőben további energiaközlés hatására tovább melegszik. A túlhevített vízgőzt a turbinába vezetik, ahol a nyomás- és hőmérséklet-csökkenés mellett kiterjed, meghajtja a turbina járókerekét és munkát végez. A turbinát elhagyó fáradt gőz nedves gőzállapotú, rejtett hőjét a kondenzátor hűtővize szállítja el, miközben a gőz lecsapódik, vízzé alakul. A kondenzátumot a tápszivattyú juttatja vissza a kazánba, a körfolyamat így ismétlődik. A kondenzátorban az atmoszférikusnál kisebb a nyomás, alig 0,04 bar. A kondenzáció hátránya, hogy sok hűtővizet igényel, így az erőmű mindig megkívánja folyó, vagy tenger közelségét. Ezek hiányában – pl. a visontai erőműben – a kondenzációt 20-25oC hőmérsékletű levegővel oldják meg. Ezt a Heller-Forgó-féle légkondenzációs berendezéssel valósíthatják meg. Az 5. ábra szemlélteti a körfolyamat hősémáját.

10


5. ábra A körfolyamat hősémája Az állapotváltozások sora tehát a következő: 1-2: a víz adiabatikus nyomásnövelése 2-3: a víz állandó nyomású melegítése a telítési állapotig 3-4: izobár és izotermikus hőközlés: a rejtett hő felvételével a vízfázis gőzzé alakul 4-5: a telített gőz túlhevítése 5-6: adiabatikus expanzió a turbinában 6-1: állandó nyomáson hőelvonás, kondenzáció A 6. ábra a körfolyamatban bekövetkező termikus állapotváltozást mutatja a T-s diagramon.

6. ábra A Clausius-Rankine körfolyamat a T-s diagramon A termodinamika I. főtétele a turbinában bekövetkező állapotváltozásra az 5-6 pontok között a gőz nyomásának, hőmérsékletének, entalpiájának csökkenésével járó expanzióra az alábbi formában írható fel. Q5,6 = i6-i5 + w

11

(19)


Mivel az elméleti expanzió tökéletesen hőszigetelt (adiabatikus), így a hőközlés zérus, a gőzturbina technikai munkája W = i 5 – i6

(20)

A körfolyamat ηt termikus hatásfoka

ηt =

w i5 − i6 = q be i 5 − i1

(21)

azaz a hasznos munka és a betáplált hő hányadosa. A T-s diagramon ez a körfolyamat által határolt terület és a teljes görbe alatti terület hányadosa. A munkavégző körfolyamatok mellett a megújuló energiák hasznosításakor igen fontos szerepet játszanak a hőszivattyúkban lejátszódó hűtőkörfolyamatok. A hőszivattyú – a hűtőgépekhez hasonlóan – hőt von el valamely kisebb hőmérsékletű testtől és ezt a hőmennyiséget a TA alsó hőmérsékleti szintről energiaközléssel a TF felső hőmérsékleti szintre emeli (7. ábra).

7. ábra Hőszivattyú működési elve A hőszivattyúk hőhordozó közegéül gázok, vagy alacsony forráspontú ún. hideg gőzök egyaránt használhatók. A hideg gőzök nyomása kondenzált állapotban a környezeti hőmérsékleten nagyobb, mint a po környezeti nyomás. Így azok a p – pkö = ∆p nyomáscsökkenéssel járó expanziónál, vagy fojtásos állapotváltozásnál nedves gőz képződés mellett a Tkö környezetinél alacsonyabb TH hőmérsékletre hűlnek le, amint azt a 8. ábra mutatja. Ilyen hűtőközeg pl. az ammónia (NH3), a metilklorid (CH3Cl) és az ún. fluor-klórhidrogén gázok, a freonok. Ezeknek sok típusát gyártják kémiai összetételüktől függően forráspontjuk széles határok között változhat. A hűtőközegek által végzett körfolyamat hősémáját és a körfolyamat képét a T-s diagramon a 9. ábrán mutatjuk be.

12


8. ábra Fojtásos állapotváltozás a T-s diagramon

9. ábra Hőszivattyú hősémája és a körfolyamat képe a T-s diagarmon Az 1-2 szakaszon a hőelvonóban izotermikus hőelvonás történik TA hőmérsékleten és pA nyomáson. A 2-3 szakaszon egy kompresszor összesűríti a gőzt, WT technikai munka közlésével, s a TA hőmérsékletről TF hőmérsékletre és pF nyomásra emeli az elvont Qo hőmennyiséget. A 3-4 szakaszon Qk hőt ad le a közeg a kondenzátorban, miközben a TF hőmérséklete és pF nyomása állandó, fajlagos gőztartalma pedig csökken. A 4-1 szakaszon egy fojtásos állapotváltozás történik, a nyomás és a hőmérséklet újra a TA ill. pA értékre csökken, a hideg hűtőközeg ismételt előállításához.

13


A munkavégző CLASIUS-RANKINE körfolyamathoz képest a hűtőkörfolyamat az óramutató járásával ellentétes forgásirányú, s a körfolyamat fenntartásához szükséges munka T-s diagramon a hurok területeként jelentkezik, értéke Wt = i3-i2 A hőszivattyúk jellemzésére használatos a teljesítmény-tényező: hőmennyiség és a kompresszió technikai munkájának hányadosa: ε=

QF WT

(22) a

szállított

(23)

Az alacsonyabb hőmérsékletű energiaforrásból (pl. kis hőmérsékletű termálvíz) felvett hőteljesítmény & =m & (i 2 − i1 ) Q o

(24)

& a hűtőközeg tömegárama [kg/s] i1 és i2 az entalpiák az elgőzölögtetés kezdetén ahol m és végén. A kompresszor adiabatikus teljesítménye & (i 3 − i 2 ) P=m

(25)

A kondenzáció hőteljesítménye pedig & =m & (i 3 − i 4 ) Q k

(26)

Ezzel a hőszivattyú fajlagos fűtőteljesítménye az ε=

i3 − i 4 i3 − i 2

(27)

alakban adódik. Ha az előállítandó hőmérséklet-különbség nem nagy, a nevezőben levő entalpiakülönbség sem az. A körfolyamat fajlagos fűtőteljesítménye ekkor igen nagy értékű: viszonylag kis munkabefektetéssel jelentős hőátvitelt tudunk létrehozni. Ez az érték a befektetett munka ötszöröse is lehet. A hőszivattyú nem perpetuum mobile, csupán az alacsonyabb hőmérsékletű energiaforrásból a nagyobb hőmérsékletű felhasználóhoz juttatja az energiát mechanikai munkavégzés árán. Ez analóg a víz szivattyúzásával egy kútból a magasabban fekvő tartályba. A hőszivattyúk alkalmazásáról a későbbiekben még szólunk.

14


A NAPENERGIA A NAPSUGÁRZÁS TERMÉSZETE. JELLEGZETESSÉGEI A Nap bolygórendszerünk központi égiteste. A Nap méreteit, energia-kibocsátását jellemző számok zavarba ejtően nagyok a hétköznapok gyakorlatában megszokott nagyságrendekhez képest. Néhány adat: A Nap átmérője: 1,39⋅106 km anyaga: 70% H, 27% He, … a földtől való közepes távolsága 149,6⋅106 km felületének hőmérséklete 6000 oC A Nap által kisugárzott energia forrása a hidrogén héliummá történő átalakulásakor keletkező tömeghiány energiává alakulása: a Nap tehát egy óriási fúziós reaktor, amelyben másodpercenként mintegy 4 millió tonna hidrogén alakul héliummá. Ennek az óriási, elektromágneses hullámok formájában kisugárzott energiának csak egy igen szerény töredéke éri el a Földet, de még ennek a teljesítménye is 173.000 TW.

1. ábra A napsugárzás átalakulása a légkörben és a földfelszínen más energia fajtákká A napsugárzás nem energia, hanem egy energiaközlési forma, a munkához és a hőhöz hasonlóan. Az elektromágneses hullámok a légkörrel és a földfelszínnel kölcsönhatásba kerülve átalakulnak különféle energiafajtákká. A légkör felső határáról mintegy 30% közvetlenül visszaverődik, ez 52.000 TW. A légkör, a földfelszín és az óceánok belső energiatartalmát növeli 47%, tehát 81 000 TW. A víz körforgásának fenntartását a napsugárzás mintegy 23%-a, 40.000 TW fedezi. A légkör felmelegítésének következménye a szél, az óceánoké a tengeráramlások kialakulása. Az ezt fenntartó 370 TW már kisebb, mint a teljes napsugárzás teljesítményének 1%-a. Végül a fotoszintézissel a növényzet megköt kb. 40 TW-nyi teljesítmény-egyenértéket a biomassza termelésével. Látható, hogy a megújuló energiák egy jelentős hányada: a víz, szél, hullám- és biomassza is közvetve napenergia. Összehasonlításul: az emberiség


teljes energiafelhasználása 13 TW teljesítmény egyenértéke. Az 1. ábrán tekinthetjük át a napsugárzás teljesítményének átalakulását a légkörrel és a földfelszínnel létrejövő kölcsönhatásban. A Nap által kisugárzott elektromágneses hullámok teljesítmény-sűrűsége a látható fény hullámhossz-tartományában a legnagyobb. Mind az ultraibolya, mind a rövidhullámú infravörös (1000-2000 nm) tartományban meredeken csökken a sugárzás intenzitása. A Föld külső légkörét elérő napsugárzás mintegy 30%-a visszaverődik. A felszínt elérő és belső energiává alakuló 47% túlnyomó része is kisugárzódik a világűrbe a 10 000 – 25 000 nm hullámhosszúságú, ún. hosszúhullámú infravörös tartományban. Hajlamosak vagyunk elfeledkezni erről a visszasugárzásról, de pl. egy tiszta, felhőtlen éjszakán erősebb a hőmérsékletcsökkenés, esetleg fagy, ahogy első lépésben a külső atmoszférába, majd onnan a világűrbe sugárzást nem gátolja semmi. A beeső napsugárzás és a felszín visszasugárzásának relatív teljesítmény-sűrűségét a hullámhossz függvényében mutatja a 2. ábra.

2. ábra A napsugárzás teljesítménysűrűsége a hullámhossz függvényében A napenergia-hasznosítás túlnyomórészt az üveg (és néhány műanyag) használatán alapul: átengedik a napsugárzást, de megakadályozzák a hosszúhullámú infravörös visszasugárzást, amint a 3. ábra mutatja. Amint a Nap sugárzása eléri az atmoszférát egy része a felhőtakarón, vagy az atmoszféra sűrűbb rétegein szóródik. Ennek a szórt sugárzásnak egy része eléri a földfelszínt. A felszínen ezt úgy érzékeljük, mintha ez is közvetlenül a Napból érkezne.

2


3. ábra Az üveg fényátengedő és visszatartó hatása A szórt sugárzás nélkül feketének látnánk az égboltot, s ez világít be az épületek északi oldalán lévő ablakokon. A Nap sugárzásának teljesítménysűrűsége a sugárzás irányára merőleges felületen 1367 W/m2. Ez a teljes sugárzás, amely a felszínt elérő közvetlen sugárzásból és a szórt sugárzásból áll. Lencsékkel vagy tükrökkel csak a közvetlen sugárzás fókuszálható, de a síkkollektorok a szórt sugárzás elnyelésére is képesek. Magyarországon egy déli tájolású, a vízszintessel 35o-os szöget bezáró sík felületen a beeső teljes sugárzás júniusban a déli órákban közel 1 kW/m2. Nyilvánvaló, hogy a napsugárzás erőssége, időtartama erősen változik, a földrajzi fekvéstől függően. A napos órák száma néhány nagyvárosban: Városok Koppenhága Zürich Berlin Párizs Bécs Budapest Róma Genova Tel-Aviv

Napos órák h/év 1680 1694 1705 1840 1891 1991 2491 2880 3500

A Szaharában a napos órák száma meghaladja a 4000 h/év értéket is.

3


Magyarországon belül is változik a napos órák száma: a Ny-Dunántúlon 1900 h/év. Szegeden 2100 h/év. A beeső évi sugárzási energia értéke Magyarországon 4200-4700 MJ/m2. Ugyanez az érték Afrikában 8000-9500 MJ/m2 év. Az 1 m2-re beeső teljes sugárzás évi összegének magyarországi területi eloszlását mutatja a 4. ábra.

4. ábra Az 1 m2-re beeső teljes sugárzás évi összegének eloszlása Magyarországon NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS A napenergia hasznosítása lehet közvetlen hőhasznosítás, vagy történhet fotovillamos energia-átalakítók alkalmazásával. A legegyszerűbb közvetlen napenergia-hasznosítás a kishőmérsékletű felhasználás: épületek fűtése, háztartási melegvíz előállítása. A vízvezetékrendszerekből nyert, vagy az egyedi kutakból kitermelt víz hőmérséklete a talajhőmérséklet éves átlagához, (Magyarországon 10,5 oC) áll közel, az évszakoknak megfelelően bizonyos ingadozást mutatva. Ezt kell felmelegítenünk legalább 60 oC-ra. Tulajdonképpen a 40-45 oC hőmérséklet is megfelelne, de ebben a hőmérséklettartományban nagyon gyorsan szaporodnak bizonyos – pl. a légiósbetegséget okozó baktériumok. Ezt kivédendő inkább nagyobb hőmérsékletre melegítik a vizet, s hideg víz hozzákeverésével használják. A fűtő- és melegvíz-előállító rendszereket a passzív és az aktív kategóriába sorolhatjuk. A „passzív napenergia hasznosítás” építészeti szakkifejezés. Általánosságban akkor beszélünk passzív szoláris rendszerről, ha a napenergia hasznosítását már meglevő, más funkciót is ellátó berendezésekkel oldjuk meg. A passzív napenergia-hasznosítás eszközei:

4


• • • •

•

Az épület helyes tájolása: növelhető vele a direkt és a szórt sugárzásból begyűjthető energia. A nappali tartózkodásra szolgáló helyiségeket a déli oldalra célszerű helyezni. Csak józan észt igényel. A hőveszteség csökkentésére az adott épület térfogatát célszerű minimális felülettel megvalósítani. Ezzel ellentétesek lehetnek a célszerűségi, esztétikai megfontolások (kockaház, több szint, lépcső). Hőszigetelés: az épület különböző elemei lehetőleg azonos hőszigetelő képességgel rendelkezzenek. Ne legyenek „hőhidak”. A redőny és a zsalu: nappal beengedi a napfényt, éjjel viszont szigetel. A napsütéses időszakban begyűjtött napenergia gyakran meghaladja az épület hőszükségletét, a felesleget tárolni kell. A hagyományos építőanyagok jó hőtárolók. Sok üvegfelület esetén külön hőtároló szükséges. A túlzott mértékű szellőztetés is fölösleges hőveszteséget okoz.

A passzív rendszerek között is legegyszerűbbek a közvetlen rendszerek: ezek az ablakfelületeken a helyiségekbe jutó napsugárzást közvetlenül hasznosítják, a falak, födémek, berendezési tárgyak felmelegszenek, az energia egy részét átadják a levegőnek, részben belső tömegükben tárolják (5. ábra).

5. ábra A napsugárzás közvetlen fűtő hatása A naptér az épület fűtött helyiségeihez csatlakozó a külső környezettől üveg határoló felületekkel elválasztott közvetlen besugárzású tér, hagyományos fűtőberendezés nélkül. (Üvegezett tornác falun). Az energiát az alsó födém (padozat) és a hátsó, épület felőli fal tárolja. Nyáron túlmelegszik, télen hőszigetel. Az éves fűtési energia-megtakarítás 20-30% is lehet (6. ábra).

5


6. ábra Naptér A Trombe-fal FELIX TROMBE francia építész találmánya. A napteret egy keskeny légtér váltja fel az energiatároló fal előtt. Napos időben cirkuláltatják a levegőt, éjjel szüneteltetik (7. ábra).

7. ábra Trombe-fal A Trombe-fal speciális esete az ún. tömegfal: a napsugárzást egy üvegfal mögötti nagytömegű fal tárolja, az üveg megakadályozza az infravörös kisugárzást. A fal az épület belsejét melegíti (8. ábra).

8. ábra Tömegfal

6


Az aktív napenergia-hasznosító rendszerek legfontosabb elemei a különböző típusú napkollektorok. Az első szabadalmat 1909-ben WILLIAM BAILEY nyújtotta be Kaliforniában. Egy síkkollektorból és egy szigetelt tartályból állt, termoszifoncirkulációval. Kb. 4000 berendezést adott el, de a 20’-as években elterjedő olcsó földgáz tönkretette az iparágat. Floridában is virágzott a napkollektoros fűtés a 30’-as évek végén. Az új házak 80%-a ilyen fűtéssel épült. 1950-re itt is kiszorította az olcsó olaj a napkollektorokat. NAPKOLLEKTOROK A napkollektor feladata az, hogy a beeső közvetlen és szórt sugárzás energiáját összegyűjtse és átadja a melegítendő közegnek, ami egyaránt lehet víz, levegő, vagy más fluidum. Napkollektorként viselkedik a napra kitett öntözőcső is, de a napsugárzás elmúltával hamar kihűl. A legegyszerűbb napkollektorok rendszerint műanyagból készült, fekete felületű csőjáratos elemekből épülnek fel. Leggyakrabban szabadtéri úszómedencék vizének melegítésére használják, néhány oC-al meghaladva a környező levegő hőmérsékletét (9. ábra).

9. ábra Úszómedence fűtése napkollektorral Éghajlati adottságaink mellett a síkkollektorok jól alkalmazhatók. A folyadékkal töltött síkkollektor energia-gyűjtő eleme egy jó sugárzás-elnyelő hatású csőjáratos lemezlap (abszorber). Az abszorber a napsugárzás hatására felmelegszik, és a csőkígyóban lévő folyadékot is felmelegíti. Az abszorber besugárzott felületének hőveszteségei átlátszó lefedéssel csökkenthetők. Hátoldalát ugyancsak a hőveszteségek csökkentésére hőszigetelik. A 10-11. ábrák mutatják a síkkollektorok felépítését.

7


10 ábra lefedés nélküli síkkollektor

11. ábra Üvegborítású síkkollektor

A síkkollektorral hasznosított energia mennyisége erősen függ az elnyelőlemez tulajdonságaitól. A cél olyan abszorber kialakítása, amely a beeső sugárzást csaknem teljes egészében elnyeli, ugyanakkor saját visszasugárzása minimális. A legtöbb fekete felület 90%-ban elnyeli a ráeső sugárzást. Az elnyelőlemez felületének érdesítése is kedvező hatású. Legalkalmasabb az ún. szelektív bevonat alkalmazása. Ezzel elérhető, hogy a napsugárzás látható és rövidhullámú infravörös összetevőit igen nagy százalékban nyeli el az abszorber, míg a saját hőmérsékletének megfelelő, hosszúhullámú infravörös tartományban igen rossz a kisugárzó-képessége. Szelektív bevonatként általában galvanizálással felvitt króm-, vagy nikkeloxidokat használnak, de léteznek szelektív bevonatot képező szolárlakkok is. A síkkolektor hatásos működését lényegesen javíthatja a lefedés fényáteresztő és hőszigetelő képessége. A lefedés általában rendkívül kis vastartalmú üvegből, vagy műanyagból készül. Az általában 4 mm vastagságú edzett üveg a jégverésnek, hőterhelésnek is ellenáll, jó a fényáteresztő képessége, hosszú az élettartama, s nem engedi át a belülről jövő, hosszúhullámú infravörös sugárzást. Elterjedőben van a raszteres, ún. anti reflexiós szolárüveg, a raszterek miatti kisebb fényvisszaverőképesség, ez a reggeli és az esti órákban a ferdén érkező napsugárzás esetén különösen jól érvényesül. A lefedéssel készült síkkollektorban, ha a hőfelvevő közeg nem kering, igen magas, akár 180-200 oC hőmérséklet is kialakulhat. Ezért célszerű az elnyelőlemezt jó hő-vezetőképességű fémből készíteni. A csőkígyó általában vörösréz, amelyre a réz, vagy alumínium elnyelőlemezt sajtolással, forrasztással, vagy ultrahangos hegesztéssel rögzítik. A napkollektorok abszorbereinek hátoldalán a hőveszteségek csökkentésére legtöbbször üveg, vagy ásványgyapotból 40-80 mm vastagságú hőszigetelést alkalmaznak. Egy-egy kollektor-elem dobozszerkezete általában alumínium lemezből hajlított, vagy sajtolt alumínium profilból csavarozott, esetleg szegecselt. A doboz feladata a lefedés, az abszorber és a szigetelés zárt egységben tartása, a nedvesség bejutásának megakadályozása. A kollektor-elemek általában 1x2 m-es méretben készülnek, ez szilárdságilag megfelelő, könnyen szállítható, szerelhető. A napkollektorokat elsősorban melegvíz-készítésre és épületek fűtésére használják. Melegvíz-készítésre a kollektor és a melegítendő víz hőmérsékletének különbsége legalább 35-40 oC legyen. Egy jó minőségű szelektív bevonatú síkkollektor

8


hatásfoka kb. 50%. A lefedett, de nem szelektív bevonatú kollektor a belső sugárzás 3540%-át hasznosítja. A lefedés nélküli kollektor hatásfoka kicsi: 15-20% körüli érték: a konvektív hőveszteség szeles időben jelentős lehet. Szélesebb tartományban érhető el jó hatásfok a vákuumcsöves síkkollektor alkalmazásával. A vákuumcsöves kollektor fénycsövekre emlékeztető légritkított üvegcsövekből épül fel modulárisan.

12. ábra Vákuumcsöves napkollektor A viszonylag hosszú, hengeres vákuumcsőben, egy szelektív bevonatú fémcsík az abszorber lemez amelybe egy koaxiális elgőzölögető üvegcső illeszkedik. Az üvegcsövet forrásban lévő folyadék (víz-gőz keverék) tölti ki. A sugárzott energia nem növeli az elgőzölögtető csőben lévő „nedves gőz” hőmérsékletét, hiszen a forrás kezdetétől (100% víz, 0% gőz) annak befejezéséig (0% víz, 100% gőz) a hőközlés hatására csupán a fázisátalakuláshoz szükséges latens hő növekszik, a fajlagos gőztartalommal együtt. Ez sokkal hatásosabb energiatároló folyamat, mint a vízfázis hőmérsékletnövekedése. Pl. 0,5 bar nyomáson a víz forráspontja 81 oC, ha 10 oC-ról melegítjük fel, 293 KJ/kg energiát tárol. Ha a 81 oC vizet változatlan nyomáson és hőmérsékleten elgőzölögtetjük, a 2306 KJ/kg fázisátalakulási hőt vesz fel, s azt kondenzálódáskor leadja. A nyomásszint változtatásával befolyásolhatjuk, milyen hőmérsékleten forrjon a víz. A ferdén elhelyezett csövekben felfelé áramlik a gőz, míg egy gyűjtőcsőben hidegebb vízzel érintkezik egy kondenzátor falán keresztül, s miközben a látens hőt leadja, vízfázisba kerül, s a ferde kollektorcsőben lecsurog. Hiába érintkezik közvetlenül a gőzfázissal, nincs hőmérsékletkülönbség (vagy alig) közöttük, nem hűti azt. Így ismétlődik a körfolyamat, s a vákuumcső sokkal több hőt szállít a gyűjtőcsőbe, mintha azt bármilyen jó hő-vezetőképességű abszorber-lemez melegítené. A külső üvegcső és az abszorber-elgőzölögtető elem közötti vákuum a konvekcióval elvesztett hőt kiküszöböli. Mindez a 12. ábrán nyomon követhető.

9


13. ábra Napvályú Ha elektromos áram előállítása a cél, nagy hőmérsékletű gőzre van szükség. Erre a síkkollektorok nem alkalmasak. Egy parabolikus hengerfelület fókusza egy egyenes vonal. Ha ebbe az egyenesbe esik bele a kollektorcső, az összegyűjtött napsugarak hatékonyan melegítik fel az abban áramló vizet (13. ábra). A parabolahenger-felületű tükör követi a Nap járását. Ezen az elven működik Dél-Kaliforniában a Mojavi sivatagban a Luz naperőmű. ). 9 egysége épült meg 13-80 MW kapacitáshatárok között. A 80 MW-os egység 464 000 m2 kollektorfelületről kapja az energiát. A kollektorokban szintetikus olaj áramlik 390 oC-ra melegedve, s egy hőcserélőn keresztül melegíti a körfolyamatot végző gőzt. A rendszer csúcshatásfoka 22%, a napi átlaghatásfok 14%. A rendszer gazdaságosan működik, 1 kWh energia árát a kezdeti 28 centről 9 centre sikerült leszorítani. Eredményesen alkalmaznak forgási paraboloid alakú napsugár-fókuszáló tükröket is: ezek egy pontba gyűjtik össze a beeső sugárzás energiáját (14. ábra). Nehéz, üvegből készült tükrök helyett alumíniummal bevont vékony műanyag-film képezi a tükörfelületet. A fókuszban akár 3700 oC hőmérséklet is adódhat, 50 cm2-es felületen. Csupán érdekességként említjük, hogy az első napenergiával működtetett dugattyús gőzgépet AUGUSTIN MOUCHOT francia matematikus tervezte, a féllóerős gép egy nyomdagépet hajtott meg. 1913-ban FRANK SHUMAN amerikai mérnök Egyiptomban helyezett üzembe egy 55 LE gőzgépet. Nemsokára következett az első világháború és az olcsó olaj kora, a napenergiával működtetett berendezések a legutóbbi évekig kikerültek az érdeklődés fókuszából. Napjainkban az USA, Spanyolország, Franciaország, Olaszország területén épülnek kisebb-nagyobb erőművek.

10


14. Naptányér Már az első világháborút követően felvetődött az óceáni naperőmű (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) gondolata Kuba partjainál. Az elképzelés lényege, hogy az óceánok felszínközeli rétege egy természetes napkollektorként elnyeli a sugárzást, amely ott belső energiává alakul. A napsugárzás számára elérhetetlenek a nagy mélységű sötét rétegek. Mivel a hidegebb víz sűrűsége nagyobb, az óceán vize a mélység mentén hőmérséklet, s emiatt sűrűség szerint rétegeződik. A felülről besugárzott folyadéktömegben nem keletkezhetnek olyan termokonvekciós áramok, mint egy alulról melegített edényben. A felszíni réteg és a tengerfenék között akár 20 oC is lehet a hőmérsékletkülönbség. A tervek szerint egy alacsony forráspontú munkavégző közeget a 25 oC-os tengervíz gőzölögtetne el, míg a kondenzációhoz szükséges hőelvonást a mélyből, kb. 1000 m mélységből felszivattyúzott 5 oC-os hideg vízzel valósítanák meg. A 20 oC-os hőlépcső közé illesztett Clausius Rankine körfolyamat termikus hatásfoka nagyon kicsiny lenne, a mélyből felszivattyúzott hideg víz nagy térfogatárama pedig nagyon megnövelné a rendszer önfogyasztását. Az úszó erőművet a tengeri fúrótornyokhoz hasonlóan horgonyoznák le a fenékhez. A nagy beruházási költségek és a kis hatásfok miatt egy ilyen erőmű megépítése egyelőre még nem időszerű. Természetes napkollektorként működnek a melegebb éghajlaton található, sekély sóstavak. A napsugárzás áthatol a csupán néhány méter mélységű vízrétegen és felmelegítik a tófenék vizét. A tó nagy sótartalma és a melegebb víz jobb oldóképessége miatt a sókoncentráció a mélységgel nő. A nagyobb sótartalmú rétegek sűrűsége a mélység mentén nagyobb mértékben ő, mint ahogyan a felmelegedés okozta hőtágulás miatt kellene csökkennie. Maga a vízréteg jó hőszigetel (0,6 W/m2oC), így előfordulhat

11


a 30 oC felszíni hőmérséklet mellett akár 90 oC fenékközeli vízhőmérséklet is. A sós melegvíz és a hideg talajvíz már elég nagy hőmérsékletkülönbséget ad ahhoz, hogy valamilyen alacsony forráspontú szerves munkavégző közeg gőzével körfolyamatot működtessen. Izraelben egy húszhektáros (200 000 m2) tófelülettel egy 5 MW teljesítményű erőművet üzemeltetnek. Kisebb teljesítményű kísérleti erőműveket építettek az USA-ban és Ausztráliában is. A napenergia hasznosítására rendkívül eredeti, építészeti szempontból is egyedülálló erőmű épül Ausztráliában. 2005-re készül el az 1000 m magasságú óriás kémény, ami a világ legmagasabb építménye lesz. Körülötte 3500 m sugarú körterületet fednek le üveggel a talaj fölött. A napsugárzás az üvegen át eléri a talajt, felmelegíti, de az üveg-borítás a hosszúhullámú infravörös visszasugárzást megakadályozza, az a lefedett területen a levegőt melegíti. A felmelegedett levegő a kéményben mintegy 13,5 m/s sebességgel feláramlik, s ez állandóan működő szelet jelent, hiszen a felmelegedett talaj, s az abban kiképzett, vizet tároló csőkígyó éjszaka is melegíti a lefedés 10.850 m-es kerületén beáramló levegőt. Az így kialakított rendszer állandó huzata 32 db nagy teljesítményű szélturbinát hajt meg, s az erőmű 200 MW elektromos teljesítményt szolgáltat. A nagyvonalú terv 700 millió dollárba kerül, s a kémény tetején kialakított kilátó terasz, mint egyedülálló turisztikai látványosság is látogatók sokaságát vonzza, s segíti a beruházás mielőbbi megtérülését.

15. ábra Napkémény Ausztrália

12


FOTOVILLAMOS ENERGIAÁTALAKÍTÓK A jövő energetikájának legígéretesebb eszköze a fotovillamos energia-átalakító cella, köznyelven napelem. A napelem olyan eszköz, amely a napsugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítja át. Lényege két összeépített különböző típusú félvezető-réteg, amelyben a beeső napsugárzás hatására az ún. fotovillamos hatás következtében potenciálkülönbség keletkezik. Ez a feszültség alkalmas arra, hogy egy külső áramkörön át záródva elektromos áramot tartson fenn, amely hasznos munkát végez. A földfelszínt elérő napsugárzás mintegy 15.000-szer nagyobb teljesítményű, mint a fosszilis és nukleáris forrásból összesen nyert teljesítmény. A forrásoldal tehát kimeríthetetlen. A fotovillamos (PV) cella anyaga majdnem teljesen szilícium, a földkéreg második leggyakoribb eleme. Mozgó alkatrészt nem tartalmaz, elvileg határozatlan ideig működőképes, nem merül ki. Elektromos áramot termel, ami a legkonvertibilisebb, leghasználhatóbb formája a létező energiafajtáknak. A fényelektromos hatást BECQUEREL francia fizikus fedezte fel 1839-ben. Az ő „nedves cella” telepe villamos feszültséget adott napfény hatására. Az ezüstvegyületek fényérzékenysége lett a fényképészet alapja. ADAMS és DAY 1877-ben a szelén fényérzékenységét fedezték fel. Az első fotovillamos cellát CHARLES FRITTS készítette 1883-ban New Yorkban. Ez nagyon vékony szelénlemezekből állt, amelyet nagyon vékony félig átlátszó aranyszálakkal fedett. Mindezt egy üveg védőréteg takarta. A beeső napsugárzásnak alig egy százaléka hasznosult villamos áramként. Mégis elterjedt a fényképészetben, mint expozíció-mérő. A modern fotovillamos energia-átalakítók a Bell Telefontársaság New Yersey-i laboratóriumában születtek meg. 1948-ban BARDEEN és BRATTAIN félvezetőkutatásai a tranzisztor felfedezéséhez vezettek. 1950-ben CHAPIN, FULLER és PEARSON fedezték fel a fényelektromos hatást a félvezetőkben. 1953-ban a „szennyezett” szilíciumban megtalálták a napelemek ideális anyagát. A napelemek hatásfokát 1954-re már 6%-ra sikerült feltornászni. 1958-ban a második amerikai műhold a Vanguard-I. rádióadóját már napelemek táplálták. Ez a cella még nagyon drága volt, 200.000 dollárba került 1W elektromos teljesítménye, de az űrkutatásban, ahol nem az első szempont a gazdaságosság, szinte kizárólagossá vált a napelemek használata. A legjobb szilícium-napelemek hatásfoka laboratóriumban már eléri a 28%-ot, a kereskedelemben kapható PV-moduloké pedig a 18%-ot, az előállított teljesítmény wattonként már csak 2 dollár beruházást igényel. A fotovillamos cella lényegében egy dióda: két különböző tulajdonságú félvezető réteg összekapcsolt egysége. A félvezetők alapanyaga legtöbbször szilícium, de lehet gallium-arzenid (GaAs), kadmium tellurid (Cd Te), vagy réz-indium-diszelenid (CuInSe2). A szilíciumatom külső elektronhéján négy vegyérték-elektron található. Ez a héj nyolc elektronnal lehet zárt, tehát még négy elektronnal kell feltölteni. A szilícium kristályrácsában a Si-atom négy szomszédjával közös elektronpárok alkotta kovalens kötésekkel kapcsolódik. Ha a szilícium kristályrácsába kevés foszfor-szennyezés kerül, a foszfor-atom beépül a szilíciumrácsba, de a külső elektronhéján lévő öt elektronja közül csak négy képez kovalens kötést a szomszédos szilíciumatomokkal, egy elektronja felesleges lesz, nincs rá szükség a kristályrácsot összetartó kovalens kötések kialakításához. Ez a többlet-elektron szabadon mozog a szilíciumrácsban, a fémek


szabad elektronjaihoz hasonlóan. A foszforral szennyezett szilíciumrácsban tehát könnyen mozgó többlet-elektronok vannak, emiatt ún. negatív típusú, n-típusú félvezető keletkezik. A szennyezett szilíciumrács ugyanakkor kifelé elektromosan semleges, hiszen a foszfor protonjainak száma is nagyobb eggyel, mint a szilíciumé. A bór, mint szennyező anyag, más jelleggel változtatja meg a szilíciumrács tulajdonságait. A bóratomnak három vegyérték-elektronja van, a szilíciumrácsba beépülve három szomszédjával alkot kovalens kötést létesítő közös elektronpárt. A negyedik kötés hiányos, abból egy elektron hiányzik, annak helyén egy „lyuk” van. A bórral szennyezett szilíciumrács elektronhiányos, „pozitív”, p-típusú félvezető. Elektromosan a p-típusú félvezető is semleges, hiszen a bór kevesebb elektronjához kevesebb proton is tartozik. A szilíciumrács szennyeződésének jellegét szemlélteti az 1. ábra.

1. ábra Szilícium kristályrácsának szennyezése bórral és foszforral Két különböző (n és p) típusú félvezető réteget egymásra helyezve különleges átmeneti réteg alakul ki a határfelület két oldalán. Az n-típusú félvezetőben a határfelület közvetlen közelében lévő gyengén kötött szabad elektronokat a p-oldali bóratomok jobb elektronvonzó tulajdonsága a p-rétegbe vonzza, ahol azok a bóratomok és a szilíciumatomok közötti tökéletlen, elektronhiányos kötésekbe beépülnek, a „lyukakat” kitöltve erős, szabályos kovalens kötéseket hoznak létre. A két félvezető átmeneti rétege így elektromosan már nem semleges. Az n-típusú félvezető, elektronjainak egy részét elveszítette, tehát pozitív töltésűvé válik. A p-típusú félvezetőben a lyukak feltöltésével viszont többségbe kerültek a negatív töltések. Az átmeneti rétegben kialakuló töltésmegoszlás sztatikus elektromos mezőt kelt, s ez az elektronok mozgását idézi elő.

2


Amikor egy beeső foton energiát közöl egy vegyérték sávban tartózkodó elektronnal, az a vezetési sávba kerül és maga mögött hagy egy lyukat a vegyérték sávban. Így a foton két töltéshordozót kelt: egy elektron-lyuk párt. A két félvezető érintkezési felületének közelében lévő átmeneti réteg elektromos mezejének hatására az elektronok az n-rétegbe, míg a lyukak a p rétegbe tartanak, amint a 2. ábrán látható.

2. ábra Elektron-lyuk pár keletkezése a szilíciumrácsban Az elektron helyén keletkezett lyuk pozitív töltéshordozó, hiszen az elektronjától megszabadított szilíciumatom pozitív ionná válik. Az ion természetesen a kristályrács azonos pontjában marad, illetve azonos pontja körül végzi a hőmérséklettől függő rezgőmozgást. A lyuk mozgása a p rétegben fiktív mozgás. Ugyanis a p rétegben az n irányba igyekvő szomszéd elektron beépül a lyukba, s a határtól egy rácsponttal távolabb jelenik meg a lyuk. Tehát az elektronhiányos állapot terjed a p-félvezető réteg túlsó irányában. Hasonló a helyzet egy bedugult utcában várakozó kocsisor esetén. Ha az egyik vezető autójával bekanyarodik egy mellékutcába egérutat keresve, a helyén egy autónyi üres hely marad. Ebbe „belearaszol” a következő kocsi 4-5 m-t haladva s ennek a helyén marad lyuk. Ide a következő kocsi lép előre, s már három autónyi hosszal „mozgott” a lyuk hátrafelé, az autók mozgásával ellentétes irányban, s a jelenség így folytatódik. Bár az ellentétes töltések vonzzák egymást, legtöbbjük csak a cellára kapcsolt külső áramkörön keresztülhaladva tud újra semleges atommá egyesülni az érintkező felület mentén kialakuló elektromos mező belső potenciálja, mint energiagát miatt. A fotovillamos cella tehát egy félvezető dióda, amely egy n- és egy p-típusú félvezető réteg összeépítésével jön létre. Felső felületét vezető-érintkezők hálózata részlegesen takarja: fedetlen felületére esik be a napsugárzás. Alulról vezető fémlemezre épül a cella. A felső vezető érintkezőt külső áramkörön keresztül kötjük az alsó fém alaplemezhez. Ezt mutatja a 3. ábra.

3


1. érintkező rács 2.-3. visszaverődést gátló bevonat 4. n típusú félvezető 5. p típusú félvezető 6. alaplemez 7. ampermérő 8. külső áramkör 3. ábra Fotovillamos cella felépítése és működése A villamos áram, mint az ismeretes, negatív töltésű részecskék, az elektronok árama. Az atom vegyérték-héján lévő elektronokat energiaközléssel (pl. egy foton beesésével) lehet kiszabadítani: megfelelő energiájú foton elnyelésével az elektron a vegyérték-sávból a vezetési sávba kerül. A napsugárzásnak kitett cellába becsapódó foton egy elektron-lyuk párt kelt. Ezeket a félvezető szétválasztja: az elektronok az ntípusú, a lyukak a p-típusú tartomány felé mozognak. A külső áramkörön keresztül az elektronok a p-rétegbe jutnak vissza. A szilícium fotovillamos cella anyaga lehet szilícium-egykristály, polikristály, vagy amorf szilícium. A szilícium-egykristályt megolvadt szilíciumból az ún. CZOCHRALSKIeljárással állítják elő. Igen lassan emelik ki az 1400oC-os olvadékból a kör-, vagy sokszög-keresztmetszetű, 4-5 m-es hosszúságúra „növesztett” egykristály-hasábokat. Ebből gyémánt vágószerszámmal szeletelik a 0,2-0,4 mm vastagságú rétegeket, majd a foszforral és bórral történő szennyezés után a jobb érintkezés érdekében polírozzák az illeszkedő felületeket, visszaverődés-csökkentő réteggel látják el a napfénynek kitett oldalt s az érintkezők kialakítása után kész a fotovillamos cella. Az egyes fotovillamos cellákból 32-36 elemet tartalmazó modulok készülnek. Ez lassú, jólképzett munkaerőt kívánó, munka- és energiaigényes folyamat, ezért meglehetősen drága. Igaz, hogy így elektronikus célra is kiváló minőségű félvezető-diódát kapunk, de a nepelemek számára a kevésbé tökéletes kristályszerkezetű, de alig rosszabb hatásfokú öntött, polikristályos

4


anyagú szilíciumot használnak. Az öntött tömbből fűrészelt lemezek sokkal olcsóbbak. Megjegyzendő, hogy mindkét eljárásnál az anyag kb. fele a forgácsolási veszteség. Az amorf szilíciumból készült napelemek üveg, vagy bármilyen más hordozó felületen lerakódó szilícium-rétege elektrokémiailag elbontott gázhalmazállapotú szilánból (SiH4) válik ki. Az amorf szilíciumban az atomok nem rendeződnek szabályos kristályráccsá, nem minden atom alakít ki kötést szomszédaival. Maradnak felhasználatlan ún. „lengő kötések”, ezek abszorbeálhatják a fölöslegben lévő elektronokat, lerontva az érintkező p-n felület hatását. Az amorf szilícium gyártása során ez a probléma elkerülhető azáltal, hogy a szilánból származó hidrogénatomok lekötik a lengő kötéseket egy szilícium-hidrogén ötvözetet alkotva. A szennyező bór szintén gázfázisban van jelen a rendszerben a gyártás során, hatása ugyanaz, mint a kristályrácsot alkotó szilícium esetén.

1. üveglap 2. ón-oxid bevonat 3. jódbázisú elektrolit 4. titán-dioxid réteg 5. ónoxid bevonat 6. üveg alaplap 7. fényelnyelő réteg 4. ábra Amorf szilícium cella kialakítása Az amorf szilícium cellák némileg eltérő kialakításúak, mint a poli- vagy az egykristályból készültek. A 4. ábrán látható, hogy a felső üvegrétegre egy különlegesen vékony szilíciumoxid-réteg közvetítésével átlátszó villamos vezető ónoxid (SnO) réteget visznek fel, ez az egyik villamos érintkező. Egy nagyon vékony p-típusú és az ntípusú félvezető közé egy vastagabb szennyezetlen közbenső amorf szilíciumréteg kerül. Az alsó érintkező felület alumínium. A cella lényegében úgy működik, mint a kristályos szilíciumból készült, de az amorf szilíciumban az elektronnak a vegyértékhéjról történő kiszabadításához szükséges kritikus energia-érték szélesebb sávba esik. Az amorf szilíciumból készült cella legnagyobb előnye az olcsóság. Fényelnyelő képessége sokkal jobb, mint a kristályos szilícium celláé. Sokkal vékonyabb, kevesebb az anyagszükséglete. Sokkal kisebb hőmérsékleten állítható elő, kevesebb

5


energiaráfordítást igényel. Folyamatos üzemben elég nagy felületű cellák állíthatók elő, bármilyen hordozó rétegen. Ezzel szemben gyengébb hatásfokú, mint a kristályos szilícium-cella, legfeljebb 12%. Másik nagy hátránya, hogy az üzemidővel arányosan csökken a hatásfok: néhány hónap alatt átlagosan 6-7%-ról mintegy 4%-ra. A PV-cella hatásfokát az energiaveszteségek befolyásolják. Ezek részben a beeső foton energiájától és az elektronnak a vegyértékhéjról történő kiszabadításához szükséges kritikus energiától függnek. • Ha a foton EF energiája kisebb, mint Ekr, akkor elektron-lyuk pár nem keletkezik, a foton energiája elvész: ez a hosszúhullámú veszteség. • Ha a foton energiája nagyobb, mint Ekr, az elektron kiszabadul a vegyérték-héjról, s elektron-lyuk pár keletkezik. Mindig csak egyetlen pár keletkezik, még ha többszöröse is a foton energiája a kritikus értéknek, az Ef-Ekr különbség pedig hővé alakul. Ez az ún. többletenergia-veszteség. • Veszteséget okoz a beeső sugárzás egy részének a felületről való visszaverődése. A veszteségek az anyag jellemzőitől (Ekr) is függnek. Csökkentésükre több lehetőséget is ismerünk.

1. üveglap 2. szilícium-dioxid 3. felső vezető ón-oxid réteg 4. p típusú félvezető 5. szénnel ötvözött amorf szilícium 6. n típusú félvezető 7. p típusú félvezető 8. amorf szilícium 9. n típusú félvezető 10. p típusú félvezető 11. germániummal ötvözött amorf szilícium 12. n típusú félvezető 13. indium-ón-oxid 14. ezüst alaplap

5. ábra Többrétegű fotovillamos cella

6


•

Többrétegű cellák alkalmazása az 5. ábrán látható módon különböző típusú vékony cellák egymásra építésével a fény spektrumának jobb kihasználására van mód. Ismert: a foton energiája a frekvencia függvénye.

1. fém alaplap

2. lézervágta horonyba helyezett fém érintkező

3. oxid

6. ábra Tagolt besugárzott felülettel jobb a sugárzás-elnyelés •

• •

A 6. ábrán látható tagolt besugárzott felület alkalmazása a nagyobb sugárzás-elnyelés megvalósítására. A lézerrel kimunkált piramis, vagy piramis-horony jellegű felületi megmunkálás jó erre. A felső vezetőérintkezőt a horonyba süllyesztve kevésbé árnyékol. Visszaverődést csökkentő bevonat alkalmazásával a felületi abszorpció növekszik. Új, kedvezőbb spektrum-érzékenységű anyagok pl. GaAs (galliumarzenid) használatával szélesebb abszorpciós sáv biztosítható, hőmérsékletre való érzékenység nélkül.

7


•

Fluoreszcens koncentrátor alkalmazásával. Ennek működését a 7. ábra mutatja.

1. napfény

2. tükröző felület 3. fluoreszcens folyadék 5. belső visszaverődés 6. fényveszteség

4. PV cella

7. ábra Fluoreszcens koncentrátor Átlátszó lapokkal határolt zárt résbe fluorescens festékkel „szennyezett” folyadékot töltenek. A fluoreszcens festék a beeső fényt elnyeli és más hullámhosszon sugározza ki. A fluoreszcens festék a szórt sugárzást is képes elnyelni, energiáját hasznosítani. Ha több rést kapcsolunk sorba, eltérő fluoreszcens festékekkel, széles hullámhossztartomány fogható át. Laboratóriumban már 30%-ra sikerült növelni a cellák korábbi hatásfokát. A fotovillamos cellák teljesítményének jellemzésére a Wp (watt-peak) maximális teljesítményérték szolgál: ez a cellára merőleges besugárzás esetén nyerhető érték. Érdekes a következő adatsor, amely a hatásfok folyamatos növekedését, s közben a cellák árának csökkenését mutatja. Év 1978 1986 1996 2002

Ár [$/Wp] 26 7,5 5,0 2,0

Hatásfok 1% 7% 16% >18%

A fenti értékek kereskedelmi forgalomban kapható PV-cellákra vonatkoznak, laboratóriumban galliumarzenid cellával 28% hatásfokot sikerült elérni.

8


A fotovillamos cella üzemállapotait a jelleggörbék segítségével szemléltethetjük. A jelleggörbe a feszültség-áramerősség függvénykapcsolatot jelzi, a besugárzás és az üzemi hőmérséklet, mint konstans paraméterek mellett. A 8. ábra kristályos szilícium PV-cella jelleggörbéjének meghatározását mutatja. A jelleggörbét az I áramerősség és az U feszültség függvényében szemlélteti a 9. ábra.

8. ábra Kristályos szilícium PV cella jelleggörbéjének meghatározása

9. ábra Kristályos szilícium PV cella jelleggörbéje

9


10. ábra A besugárzás erősségének és a cella hőmérsékletének hatása a jelleggörbékre

11. ábra Sorosan és párhuzamosan kapcsolt PV cellák jelleggörbéi A 10a és 10b ábrákon a besugárzás és a hőmérséklet hatását láthatjuk. A kívánt feszültség a gyakorlatban több cella összekapcsolását kívánja meg. A cellák sorosan és párhuzamosan is kapcsolhatók. Sorbakapcsolt celláknál a feszültség, párhuzamosan kapcsoltaknál az áramerősség összegeződik. (11a és 11b ábra).

10


A jelleggörbékből kitűnik, hogy egy fotovillamos cella üzemi feszültsége mintegy 0,5V. Nagyobb feszültség előállítására több cellát kapcsolnak sorba. Így igen változatos méretű panelek készíthetők különböző alkalmazások céljára. A kisfeszültségű, kis teljesítményű mini panelek 3-12 amorf szilíciumból készült fotovillamos cellát tartalmaznak. A teljes felület alig néhány cm2, a kapott feszültség 1,5 és 6V, a teljesítmény pedig alig pár milliwatt. Ezeket a kis paneleket nagy tömegben gyártják órák, zsebszámológépek, kamerák, jelzőlámpák működtetésére. Kis panelnek számítanak a 3-12 V feszültség és 1-10 W teljesítmény-tartományba eső egységek. Ezek felülete 100 és 1000 cm2 között lehet, vagy polikristályos vagy amorf szilíciumból készülnek. Fő felhasználási területük: rádiók, játékok, kis háztartási szivattyúk, elektromos kerítések (villanypásztor), kis akkumulátorok töltése. A nagy panelek a 10. és 60 W teljesítmény-tartományt fedik le, feszültségük 6 és 12 V, felületük 1000 és 5000 cm2 közé esik. Általában 10-36 cella sorbakapcsolásával adódnak. Villamos hálózattól távol eső háztartások autonóm energiaellátását oldhatják meg. Nagyobb teljesítmény elérésére több összekapcsolt panelből álló rendszereket alakítanak ki. Még így is előfordulhat, hogy esetenként nagyobb feszültség- és teljesítményigény jelentkezik, mint amekkorát a panelek közvetlenül előállítanak. Ilyen esetben összetett fotovillamos rendszerek építése célszerű. Ezek főbb részei a 12. ábrán láthatók.

12. ábra Fotovillamos panel felépítése

11


A napsugárzást nagyobb egységbe szervezett fotovillamos panelek rendszere (array=hadrend) fogja be, ez akár többszáz panelt is tartalmazhat. (a) A több panelt magába foglaló állványzat gyakran mozgatható: a nap járását követve az optimális irányba forgatja a peneleket. Ez segédberendezéseket kíván meg, valamint egy teljesítményszabályozó és ellenőrző egységet (b). A nappal megtermelt villamos energiát éjszakára, vagy felhős napokra akkumulátorokban tárolják (c). Az egyenáramot nagyobb feszültségű váltóárammá alakítja az inverter (d). Alkalmasint egy tartalék áramforrás, pl. diezel-elektromos generátor egészíti ki a rendszert (e). A PV-cellák felhasználásának korlátja a napfény földrajzi szélességtől, évszaktól, napszaktól függő időszakos jellege. Ha a fotovillamos rendszert a hálózatra kívánjuk kapcsolni egy kereskedelemben kapható AC/DC inverter alkalmazása szükséges. Hálózatra kapcsolt rendszerben akkumulátorra nincs szükség, mert ha nincs saját termelés, a hálózatról vehető áram. Az ilyen rendszerekre 12, 24, 48 V egyenáramú feszültség és 110-220-240 V váltóáramú feszültség 50, vagy 60 Hz frekvencia jellemző. A fotovillamos rendszerek moduljainak helyszükséglete viszonylag nagy, ez megtakarítható az ún. integrált és kombinált megoldásokkal. Változatos lehetőségük közül néhányat említünk: • • • • •

•

tetőcserép felületére felragasztott amorf szilícium cellák tetőfedő elemként kialakított PV-modulok épülethomlokzat üveg borító-elemeibe integrált PV-cellák Vizes kollektorral kombinált cellák Autópálya, hangelnyelő falára épített cellák. Egy svájci megvalósíthatósági tanulmány szerint az országban így 375 MW teljesítmény lenne nyerhető. Egy 100 kW teljesítményű hálózatra kapcsolt rendszer referencia-üzeme már folyik. Vasúti pályák mentén, stadionok, nagyméretű középületek tető-felületein is telepíthetők a PV-rendszerek. Münchenben a Kongresszusi Központ tetején 1 MWp teljesítményű rendszert építettek.

•

13. ábra Sunraycar napelemekkel működő gépkocsi

12


Látványos demonstratív megoldások a PV-cellákkal működő autó, mint a 13. ábrán látható 1987-ben készült Sunraycar, vagy az 1993-ban gyártott Honda Dream. 1991-ben építették a napelemekkel működő Sunseeker repülőgépet, amely éjszakai szünetekkel keresztülrepülte Ausztráliát. Az elmúlt évtizedben több, kísérleti célú fotovillamos erőmű épült. Néhány példa: Kobern-Gondorf (Németország, RWE 1988) 340 kW, Phalk-Mont Soleil (Svájc, 1992) 500 kW, Sacramento (USA, 1989) 2 MW. A világ jelenleg legnagyobb teljesítményű fotovillamos erőművét 2004. júliusában helyezték üzembe Lipcse mellett egy lignitbánya meddőhányójára épülve. Teljesítménye 5 MW. Szaúd-Arábia sivatagos, nagyon erősen besugárzott régióban több, 10 000 MWp erőmű létesítését tervezi, az előállított villamos energiát exportálni kívánja. A világon ma üzemelő fotovillamos rendszerek összteljesítménye már meghaladja az 1000 MWp értéket. Az évi növekedés 25-30% (!!). A világpiaci részesedés USA 44%, Japán 24%, Európa 21%, egyéb 11%. Az EU 2010-ig 1 millió fotovillamos rendszer létesítését irányozza elő. Ahhoz, hogy versenyképes legyen a napelemekkel termelt elektromos energia, tömeggyártásra van szükség. Ehhez a mindenkori kormányzatnak kell támogatást nyújtania, amíg a módszer önfenntartóvá nem válik. A napelemekkel termelt villamosenergia tárolása A fotovillamos alapon történő villamos energia termelést jelentősen korlátozza a napsugárzás időszakossága. Az éjszakai időszak rendszeresen kieső holt idő, az időjárás véletlenszerű változásai, a felhős nappalok is rontják a hatékonyságot. A besugárzás erőssége is változik a nap folyamán. Ez az egyenetlenség a fogyasztó számára megszüntethető a termelt villamos energia tárolásának megoldásával. A napelemekhez korszerű akkumulátor-konstrukciókat fejlesztettek ki. A NISSAN villamos autók meghajtására NiCd akkut hozott kereskedelmi forgalomba. Hosszú élettartamú, sok ciklusban, igen rövid idő alatt (< 15 perc!) tölthető, gondozást nem igényel, de még drága. A NaS akkumulátort szintén villamos autókhoz fejlesztette ki a General Motors. 1 töltéssel, 120 km/h sebességgel 430 km-t tesz meg. A lítium-polimer akkumulátor (1997) a legújabb USA-Kanada együttműködés eredménye. Egy kis összehasonlítás a különböző típusú akkumulátorok fajlagos energiatároló képességéről: Savas ólom-akkumulátor Nikkel-fémhidrid Lítium-polimer

35 Wh/kg 70-80 Wh/kg 150 Wh/kg

Ez utóbbi energiatároló képessége 40 kWh, maximális teljesítménye 80 kW. Megoldást jelenthet a víz felszivattyúzása is egy szakaszosan működő tározóba, amely az éjszakai órákban turbinákat működtet. Az energiatárolás egyik ígéretes lehetősége, ha a fotovillamos úton termelt elektromos energiával hidrogént állítunk elő. A hidrogén tárolása, szállítása mai műszaki lehetőségeink mellett megoldható, elégetve vízgőzzé alakul, a környezetet nem

13


szennyezi. A hidrogén égéshője igen magas: 1,5⋅105 KJ/kg. Nagy nyomáson a 150-700 bar tartományban acéltartályban gáz alakban tárolható. Erősen lehűtve 18 K (-255 oC) hőmérsékleten folyékony halmazállapotúvá válik, ez megfelelő tartályban tárolható, szállítható. A fém-hidridek nagy nyomáson abszorbeálják a hidrogént. Így hidrogén tárolására képesek, az abszorbeált hidrogén melegítéssel felszabadítható. A napelemekkel előállított villamos egyenárammal elektrolizáló berendezést működtethetünk, ezzel állíthatjuk elő a hidrogént. A leggyakrabban KOH 30%-os oldatát használják elektrolitként, azbeszt diafragmával. A legújabb, fejlesztés alatt álló elektrolizáló berendezések nagy hőmérsékletű gőz elektrolízisén alapulnak. A földgáz távvezetéken történő szállításához hasonlóan a hidrogén is szállítható gázfázisban ∼ 80 bar nyomáson. Mivel a hidrogén sűrűsége még ebben a nyomástartományban is kicsiny (ρ = 6,75 kg/m3) a hidrogén-távvezeték átmérője valamelyest nagyobb, mint a földgázvezetéké. Mivel az áramlási nyomásveszteség is kisebb, kisebb kompresszorteljesítményt, kevesebb kompresszorállomást igényel. Elkészült a megvalósíthatósági tanulmány egy Észak-Afrikában építendő naperőművel kapcsolt hidrogéntermelő rendszerről, amely Közép-Európába egy 3300 km hosszúságú távvezetéken szállítaná a hidrogént. A hidrogén cseppfolyósításának igen nagy a fajlagos energiaigénye: 10-11 kWh/kg. A folyékony hidrogén azután tartályban, vagy speciális tankhajókban szállítható. A levegőben elégő hidrogén nitrogénoxidokat termelhet. Katalizátorral ez gyakorlatilag tökéletesen kiküszöbölhető. A belsőégésű motorok – némi átalakítással – hidrogénnel is üzemeltethetők. Először a BMW fejlesztett ki hidrogénnel hajtott gépkocsit. Ha folyékony hidrogén az üzemanyag, a -255 oC-os hőmérséklet fenntartása költséges: (hőszigetelés, hűtés). A müncheni repülőtéren épült meg az első hidrogén-tankolásra szolgáló teljesen automatikus üzemanyagtöltő-állomás. A hidrogén hajtotta belsőégésű motor lényegesen jobb hatásfokú mint akár a benzin-, akár a dieselmotor. A nagynyomású gáz formájában tárolt hidrogén – mint motor-üzemanyag – olcsóbb. Hamburgban 1999-ben nyílt meg az első gázfázisú hidrogén-töltőállomás. A hidrogént nagy mennyiségben állíthatják elő vízierőművekkel kapcsolt rendszerekben. Erre Izlandon találunk jó példát. Reykjavikban hidrogénnel hajtott autóbuszok közlekednek. Repülőgépek üzemanyagaként is folynak H2-vel bíztató kísérletek. Az ismertetett megoldásoknál is ígéretesebbek a közvetlen energia-átalakító tüzelőanyag-cellák, amelyek a hidrogén felhasználásával villamos áramot állítanak elő. Korábban csak tudományos érdekességként tartották számon az elektrokémiai energiaátalakító rendszereket: GROVE 1839-ben hidrogén és oxigén vízképző reakciója kapcsán villamos áramot előállító telepet mutatott be. A fosszilis tüzelőanyagok kémiai kötéseiben elraktározott energia nem csupán nagy mennyiségű, hanem igen nagy rendezettségű is. Ha ezt az energiát elégetéssel szabadítjuk fel, a rendszer állapota igen nagy molekuláris rendezetlenségű (nagy entrópiájú) lesz, és a munkavégző körfolyamat hatásfoka már csak a CARNOT-hatásfok korlátai között lehetséges:

14


T η = 1− 2 T1 ahol T1 a hőközlés, T2 a hőelvonás abszolút hőmérséklete. A rendezetlenséget, s ezzel entrópia-növekedést okozó égés kiküszöbölésével lényegesen jobb hatásfok érhető el a kémiai energiának villamos energiává való közvetlen átalakítása révén. A tüzelőanyag cellák hidrogént oxidálnak katalitikus elektrokémiai folyamatban. A felhasznált elektrolittól függően különböző típusú tüzelőanyag cellák ismeretesek.

14. ábra Lúgos tüzelőanyag cella A 14. ábra egy lúgos tüzelőanyag cella működését szemlélteti. A tüzelőanyag hidrogén, az oxidálószer tiszta oxigén, az elektrolit káliumhidroxid (KOH) 30%-os vizes oldata. Az elektrolitba porózus anód és katódlemezek merülnek. A cella teljes homlokfelületén áramlik be a hidrogén, amely az elektrolit és az anód határfelületén disszociál: H 2 → 2H + + 2e − Az anódot a katóddal összekötő áramkörben megindul a felszabadult elektronok árama, míg a hidrogénionok (protonok) diffúzióval hatolnak át az anódlemezen, a katód és az anód közé elhelyezett porózus membránon, s végül a katódlemezre érkeznek. A külső áramkörön át szintén a katódra érkeznek a disszociáció révén szabaddá vált elektronok, valamint az oxigén is, amelyet a tüzelőanyag-cella katód-oldali felületén táplálnak be. A katódon megtörténik az oxidáció: az elektronok, átjutva a külső áramkörön megtöltik az oxigén vegyérték-elektronhéját s kötést képeznek az elektroliton át érkező hidrogénionokkal: ennek során természetesen víz keletkezik, amit el kell vezetni a rendszerből.

15


A „hagyományos” égés során a hidrogén elektronjai közvetlenül teszik zárttá az oxigénatomok külső elektronhéját. A tüzelőanyag-cella ezt akadályozza meg, a „rendezett” égés során az elektronoknak csak a külső áramkörön keresztül, közvetve lehet az oxigénnel reakcióba lépniük, s ezzel elektromos áramot hoznak létre. A cellában a 80 és 100 oC közötti hőmérséklettartományban megy végbe az oxidáció, az elektrolit felforrását el kell kerülni. A reakció viszonylag lassú, így a cella fajlagos teljesítménye is ennek megfelelően kisebb. Az űrhajózásban alkalmazzák elsősorban a ma még eléggé drága tüzelőanyag-cellákat. Teljesítményük a 100 W és a 20 kW határok közé esik, a rendszer hatásfoka igen jó 60-65% is lehet. A savas cellákban alkalmazott elektrolit foszforsav (H3PO4). Tüzelőanyaga lehet alkohol, metán, esetleg propán, az oxidálószer levegő. Üzemi hőmérséklete valamivel magasabb, mint a lúgos celláé: 150-210 oC. Villamosenergia-átalakítása kisebb hatásfokú: 40-50%. Ha a „melléktermékként” keletkezett hőt is hasznosítjuk 70-80%-os hatásfok is elérhető. A savas cellák a lúgoshoz képest robusztusabbak, teljesítményük is nagyobb: jelenleg már a 10 MW tartományban üzemelnek kísérleti erőművek az Egyesült Államokban és Japánban. Kísérletek folynak járművekben történő felhasználásra. A jelenlegi kutató-fejlesztő munka 50-200 MW teljesítményű erőművek létesítésére irányul. Más elektrolittal működő tüzelőanyag-cellákkal is folynak kísérletek. Könnyűfémek (Na, Li, K) karbonátjainak keveréke is használható, a 600-650 oC hőmérséklet-tartományban. Fosszilis, hidrogén tartalmú (CH4) tüzelőanyagot oxidálnak levegővel. A nagy üzemi hőmérséklet olcsóbb katalizátorok alkalmazását teszi lehetővé. Egyelőre egy 1,8 MW teljesítményű egység kísérleti üzeme folyik. • A tüzelőanyag-cellák legnagyobb előnye, hogy a szabályozott oxidáció során sokkal kisebb veszteségek keletkeznek, mint az elégetés során történő hőfelszabaduláskor. • A kedvező hatásfok elektromos áram és ipari, vagy kommunális hőtermelés esetén tovább növelhető. • Környezetkímélő: nincs károsanyag-kibocsátás, a cella zajtalanul működik. • Megújuló energiaforrásokkal kompatibilis. • Kis méretben, hordozható kivitelben is készíthető, ezért járművek meghajtására különösen alkalmas. • Hosszú élettartamúak. • Rosszul elégethető tüzelőanyagok (szerves hulladék, melléktermék) hasznosítására is alkalmasak. Hátrányuk, hogy egyelőre igen drágák, ez majd kiforrott konstrukciók tömeggyártásával csökkenthető. A tüzelőanyag cellás erőművek három fő egységből állnak. (15. ábra) A tüzelőanyag-előkészítő a nyers tüzelőanyagot, annak jellegétől függő technológiával hidrogénben dús gázkeverékké alakítja. A tulajdonképpeni energiatermelő rendszer nagyobb blokkokból, azok pedig (∼ kb. 80 db) cellákból épülnek fel. Az egyes cellák 300-600 cm2 felületűek és 6-10 mm vastagok. Az elektrokémiai reakció villamos egyenáramot hoz létre, ennek feszültsége cellánként 0,6-0,75 V, áramsűrűsége 15003000 A/m2. Így mintegy 900-1800 W/m2 teljesítménysűrűséget érhetünk el. A rendszerbe beépített inverter az igényelt frekvenciájú és feszültségű váltóáramot állítja elő.

16


15. ábra Tüzelőanyag cellás erőmű blokksémája Ígéretes kísérletek folynak, hogy tüzelőanyag-cellákat gépjárművek hajtására használjanak. A 90-es években a Mercedes, Ford, Toyota, GM intenzív fejlesztésbe kezdett. A NECAR (New Electric Car) egyik változata metanolt használ tüzelőanyagként, ezzel a tartály, a tankolás a hagyományostól alig tér el. Az egyenáramú villamosmotor fokozatnélküli hajtást tesz lehetővé, a NECAR-hoz nem kell sebességváltó. Egy másik változat mélyhűtött, folyékony hidrogént használ üzemanyagként. 1997-ben a Daimler-Benz Stuttgartban az első tüzelőanyag-cellás városi autóbuszt helyezte üzembe, ez egy tankolással 250 km megtételére képes. Az általános megítélés szerint a 2010 évre már Gigawatt nagyságrendűre becsülik a működő tüzelőanyag cellák összteljesítményét. 1-2 MW-os kísérleti erőművek építése több országban is folyik. Egyelőre eléggé drága ez a megoldás. A napenergia-hasznosítás során a tárolás problémáját az ún. Carden-körfolyamat segítségével is meg lehet oldani. A rendszer működése a 16. ábra blokkvázlata alapján jól megérthető.

16. ábra Carden körfolyamat blokksémája

17


A parabolahenger fókuszában elhelyezett elnyelő-csőben kb. 700 oC-ra melegszik fel a 300 bar nyomású ammónia. Ezen a hőfokon az ammónia-molekulák disszociálnak a 2NH3 = N2 + 3H2 egyenletnek megfelelően. A keletkezett hidrogén-nitrogén keverék a hőcserélőben lehűl. Egyrészt előmelegíti a disszociációhoz az ammóniát, másrészt a lehűlt gázt könnyebb szállítani a szintézis helyére, ahol katalizátor jelenlétében a komprimált nitrogén és a hidrogén újra ammóniává egyesül. E kémiai reakció hőtermelő, a felszabaduló hő hőerőgép működtetésére, vagy bármely más célra használható. A szintézis-kamrából kiáramló ammónia még tartalmaz hidrogént és nitrogént, hiszen a szintézis hatásfoka nyilván nem 100%. A szeparátorban az ammónia cseppfolyós halmazállapotban leválasztható, a H2 és N2 gáz pedig újra a szintéziskamrába kerül. A rendszer fő előnye, hogy a napsugárzás energiája nem belső energia formájában tárolódik: az ammónia felbomlása és újraegyesülése között nem léphet fel hőveszteség (ill. alig). A nitrogén-hidrogén keverék egyszerű csővezetéken nagy távolságra szállítható, az ammóniaszintézis üteme, időpontja tetszésünk szerint befolyásolható. A napenergia tárolása így igen jó hatásfokkal oldható meg. A napenergia-tárolás hatékony eszközei a regeneratív tüzelőanyag-cellák is. A napenergiából nyert villamos energiát két elektrolit oldat feltöltése révén kémiai potenciális energiává alakítják. A villamos energia a két elektrolit-oldat kisütése révén nyerhető vissza. A cella működését a 17. ábra segítségével érthetjük meg.

17. Regeneratív üzemanyag cella Az egyenáramú villamos vezetékek az RTC elektródáira csatlakoznak. A cella ion-szelektív membránjának két oldalán történik az elektrolit-oldatok átvezetése. Maguk az elektrolit-oldatok két tároló tartályban vannak, ezeket a cellával csővezetékek kötik össze. A pozitív oldalon NaBr, a negatívon Na2S4 (nátrium poliszulfid) az elektrolit

18


anyaga. A két önálló körben szivattyúk cirkuláltatják az oldatokat. A membránon Na ionok jutnak át, és a 3NaBr + Na2S4 ↔ 2Na2S2 + NaBr3 reakcióegyenletnek megfelelően tribromid-komplex ionok alakulnak a poliszulfid pedig szulfiddá változik. Ez az elektrokémiai reakció gyakorlatilag reverzibilis és végtelen sokszor ismételhető. A cella feszültsége 1,5 V lehet, sorbakapcsolásukkal különböző feszültségű és teljesítményű modulok állíthatók elő. Angliában egy 15 MW teljesítményű, 120 MWh kapacitású energiatároló rendszer létesült ezen az elven.

19


SZÉLENERGIA A napsugárzás által keltett légmozgások kinetikus energiája a szélenergia. Ez ugyan kevesebb, mint a légkört elérő sugárzás teljesítményének 1%-a, de 370 TW becsült teljesítménye még mindig jelentős tényező a megújuló energiák sorában. A szélenergia hasznosításának tárgyalása előtt érintenünk kell a légkör felépítését s a szelek keletkezésének mechanizmusát. A földkérget körülvevő légkör néhány gáz keveréke. A gravitáció tartja meg a Föld körül. Részt vesz a tengely körüli forgásban, s hat rá a centrifugális és a Coriolis erő is. A légkör sűrűsége, nyomása, a magassággal csökkenő hőmérséklete viszont változó elosztást mutat (1. ábra).

1. ábra A légkör hőmérséklet eloszlása A légkör fő alkotói, az ún. alapgázok: a nitrogén (78%), oxigén (21%), valamint nemesgázok: argon, xenon, kripton, neon. Ezek összetétele kb. 100 km magasságig alig változik. Helyileg változó mennyiségben vannak jelen a vendéggázok: elsősorban a vízgőz, amely helyileg akár 4% koncentrációt is elérhet, a széndioxid, ózon, hidrogén és a metán. A gázok egy csoportja: a szénmonoxid, nitrogén-oxidok, az ammónia és a kénhidrogén erősen változó koncentrációban van helyenként jelen. A gázokon kívül folyékony és szilárd alkotók is lehetnek: por, vulkáni hamu, pollen, mikroorganizmusok, stb. A légkört, elsősorban az 1. ábrán is vázolt hőmérséklet-eloszlásnak megfelelően különböző övekre oszthatjuk. Ezek a gömbhéjak a hőmérséklet maximumai és minimumai helyén fokozatosan mennek át egymásba. A felszínnel érintkező réteg, amelyben az időjárási jelenségek is lejátszódnak, a troposzféra. Ez a légkör számunkra legfontosabb rétege, a teljes légkör tömegének 75%a, vízgőztartalmának 90%-a itt található. A troposzféra hőmérséklete a felszíntől nagyjából lineárisan csökken, kilométerenként 6 oC-kal. A troposzféra vastagsága a földrajzi szélességgel változik. Az Egyenlítőnél, ahol a centrifugális erő a legnagyobb 17-18 km, a sarkok közelében ahol a centrifugális erő nullához tart alig 8 km. Magyarországon ez a vastagság mintegy 10 km. A troposzférát

felülről egy vékony, átmeneti réteg a tropopauza határolja, ahol a hőmérséklet helyi minimuma – 50 oC – 60 oC. A sztratoszféra efölött mintegy 45-50 km magasságig tart, ebben már nem találunk függőleges légmozgást, a vízszintes, nagy sebességű futóáramlások jellemzik. Hőmérséklete a magasság növekedésével kissé növekszik egy kb. 0 oC-os helyi maximumig, ennek oka az ózon (O3) keletkezése a Nap ibolyántúli sugárzásának hatására. A hőmérséklet-maximum jelöli ki a sztratoszférát lezáró vékony átmeneti réteg a sztratopauza határát. A sztratoszféra fölött helyezkedik el a légkör leghidegebb tartománya a mezoszféra. A hőmérséklet-minimum kb. 85 km magasságban – 92oC. Kb. 90 km magasságban van a mezoszféra felső határoló rétege a mezopauza. A mezopauza fölött a termoszférát találjuk. 110 km magasságban már 70 oC a hőmérséklet és az erősen ionizált nagyon ritka levegőtartomány külső határán, mintegy 300 km magasságban már az 1000 oC értéket is megközelítheti. Itt természetesen ne hagyományos hőmérővel mérhető hőmérsékletekre gondoljunk. A nagyon ritka levegőben megnő a molekulák szabad úthossza, így nagyobb sebességre gyorsulhatnak a kevesebb ütközés miatt, és kinetikus energiájuk is nagyobb lesz. A kinetikus gázelmélet szerint a hőmérséklet T=

mv 2 3k

(1)

formulával számítható, ahol m a molekula tömege, v a sebessége, k pedig az ún. BOLTZMANN-állandó. A termoszférában keletkezik a sarki fény, innen verődnek vissza a rövidhullámok, s itt izzanak fel a légkörbe belépő meteoritok is. Az exoszféra a légkör legkülső tartománya, kb. 1000 km magasságig terjed. Főleg hidrogénionokból és héliumból áll. Sűrűsége a bolygóközi téréhez közelít, hőmérséklete pedig a 2000 oC-ot is elérheti. A légkör felső határán a napsugárzás erőssége 1,37 kW/m2, ez az ún. napállandó. Ha a légkör nem volna, a napsugárzás akadálytalanul jutna el a Föld felszínére. A levegőben lévő vendéganyagok azonban részben elnyelik, részben visszaverik a sugárzást. A napállandónak alig 50%-a jut el a földfelszínig. Az érkező napsugárzás egy részét a felszín elnyeli, és a nagyobb hullámhosszúságú infravörös spektrumban visszasugározza kb. 23%-át. A kisugárzott hő egy részét a vízgőz és a széndioxid elnyeli és felmelegszik. A talaj feletti rétegek konvekcióval is kapnak belső energiát: tehát a légkör alulról melegszik. Ezt bizonyítja az is, hogy a troposzféra hőmérséklete a magassággal csökken. A felszín által kisugárzott hő egy jelentős részét a légkör visszatartja, ezt elsősorban a légkörben található vízpára és széndioxid okozza. Ez az ún. üvegház-hatás, amelyért a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével a légkörbe kerülő széndioxid is okolható, de sokkal kisebb mértékben, mint a kisugárzást gátló felhőzet. A légkör felmelegedésének mértéke főleg a napsugarak hajlásszögétől függ. Minél nagyobb a hajlásszög, annál több energia jut egységnyi felületre. Mivel a Föld gömb alakú, az Egyenlítő környékén alakul ki a legerősebben besugárzott forró éghajlati övezet. A sarkok felé haladva csökken a hajlásszög, csökken a besugárzás mértéke is. A domborzati viszonyok is befolyásolják a besugárzás erősségét. A mérsékelt övbe eső déli lejtők több energiát kapnak, a déli félgömbön viszont ez az északi lejtőkön alakul így.

2

A levegő felmelegedését jelentősen befolyásolja a felszín anyagi minősége. A felszín sugárzás-visszaverő képessége az albedó. A tengerek, tavak albedója 9%, a mezőgazdaságilag művelt talajé 26%, a frissen hullott fehér hóval borított területeké 85%. A Föld átlagos albedója kb. 35%. A Földet körülvevő levegőtömeg a nehézségi erő hatására a földfelszínre nehezedik, ebből ered a légnyomás. A normál légnyomás a tenger szintjén 760 mm-es higanyoszlop nyomásával egyezik meg. Ez a p o = ρ Hg ⋅ g ⋅ h = 13550

kg m3

⋅ 9,81

m s2

⋅ 0,76 m = 101023 Pa

(2)

eredményre vezet. 1Pa = 1N/m2, a meteorológiában használatos egység ennek százszorosa a hektopascal, hPa. A levegő a felszín felmelegedésétől függően különböző mértékben melegszik fel, a különböző hőmérsékletű levegőtömbök nyomása is változik. Mivel a különbözőképpen felmelegedett levegőtömegek még mozgásban is vannak, az állandóan változó légnyomás meghatározása csak méréssel lehetséges. Az azonos légnyomású helyeket összekötve kapjuk az izobár-görbéket, amelyek alapján izobártérképek szerkeszthetők. Ezen nagyon jól láthatók a légnyomás felszíni eloszlásának megfelelő nagy- és kisnyomású helyek. A nagynyomású légköri képződmény az anticiklon, a kisnyomású a ciklon. A légkörben ún. termokonvekciós áramlás alakul ki: a felmelegedett levegőre kisebb hőmérsékletű környezete felhajtóerőt fejt ki Archimédesz törvényének megfelelően: a meleg levegő felemelkedik és a helyére a nagyobb sűrűségű, hidegebb levegő áramlik. A felszálló légmozgás helyén a felszínen kis nyomású, a leszálló, nagyobb sűrűségű levegőoszlop alján nagy nyomású zóna alakul ki. A felszínen a levegő a nagy nyomású hely felől a kisebb nyomású hely felé áramlik, ez a szél. A szelet sebessége és iránya jellemzi. A szél sebességét a 2. ábrán látható anemométerrel mérhetjük meg: nagyobb szélsebességnél nagyobb a kanalas forgórész szögsebessége, az adott időtartamon belüli fordulatok számát egy számlálószerkezet összegezi.

2. ábra Kanalas anemométer

3

A szél irányát (ahonnan fúj) a világtájakkal (szélrózsa) vagy fokokkal adják meg. A 0o az északi szél iránya, a keleti szélhez a 90o tartozik, délről fúj a 180o szél, míg a nyugati szél a 270o iránnyal jellemezhető. A szél sebességét szokás szélerősségnek is nevezni, és a 17 fokozatú tapasztalati úton megállapított Beaufortskálával megadni: Szélsebesség km/óra 0-1 2-6 7-12 13-18 19-26 27-35 36-44 45-54 55-65 66-77

Megnevezés

Hatása

Teljes szélcsend Alig érezhető szellő Könnyű szellő Gyenge szél Mérsékelt szél Élénk szél Erős szél Igen erős szél Viharos szél Szélvész

90-105 106-

Orkán További fokozatok

Fokoza ta A füst egyenletesen száll fel 0 A füstoszlop gyengén ingadozik 1 A falevelek mozognak 2 Fodrozódó vízfelszín, a zászló lobog 3 A kis ágak mozognak 4 5 A faágak mozognak, a víz hullámzik A nagy ágak is mozognak, zúg 6 A gallyak törnek, a fák törzse mozog 7 8 A nagyobb gallyak törnek Fákat dönt ki, épületek tetőzetében 9 nagy károkat okoz 11Épületkárok, erdőket tarol le 12 1317

1. táblázat Beufort skála A szél irányát befolyásolja a súrlódás, és a Föld tengelykörüli forgásából származó Coriolis-erő, amely az északi félgömbön minden mozgó testet a mozgás irányába nézve jobbra, a déli félgömbön, pedig balra térít el. A Föld szögsebessége az északi sarkon a forgástengellyel egyirányú, kifelé r mutató ωo vektor. Valamely földrajzi szélességen ennek a felszínre merőleges r komponense ω = ωo sinβ . Ha egy test a forgó Föld felszínén w sebességgel mozog, akkor az r r Fc = 2mwxϖ

(3)

r Coriolis erő hat rá, úgy, hogy az erő w -re és ϖ -ra merőleges. Amint a 3. ábra mutatja, az északi félgömbön a Coriolis erő eltéríti a mozgó testet, eredeti irányából jobbra. Tekintsük most a 4. ábrát. Időben állandó, súrlódásmentes légáramlást vizsgálunk, feltesszük, hogy az izobárok egyenes vonalak. A szél nyilvánvalóan a nagynyomású zónából a kisnyomású felé indul a nyomáskülönbség, az Fp erő hatására. A r szögsebesség vektora a rajz síkjából kifelé mutat, tehát az izobárokra merőleges w →

→

→

sebességű levegőáramlásra jobb felé fog hatni az eltérítő erő. ( w , ω, és F c a vektorszorzás szabályai szerint jobbsodrású rendszert képez). Ahogy görbül a pálya, a →

Coriolis-erő mindig merőleges lesz a sebességre és egyre inkább csökkenteni fogja F c

4

hatását. Ahogy görbül a pálya, a Coriolis-erő mindig merőleges lesz a sebességre és →

egyre inkább csökkenteni fogja F p hatását.

3. ábra A Coriolis erő eltérítő hatása

4. ábra A szél irányának változás a Coriolis erő hatására az északi féltekén r Amikorra a szél w sebessége az izobárokkal párhuzamosra fordul, a nyomóerő és a Coriolis erő éppen kiegyenlítik egymást, s a zérus eredő erő mellett a szél sebessége és annak iránya sem változik. Az erőegyensúly állapotában

Fp = Fc

(4)

Ha egy ∆x, ∆y, ∆z élhosszúságú kis levegőrészecskét veszünk ρL sűrűséggel, a Coriolis erő: Fc = 2ρ L ∆x∆y∆zwωo sin β

5

(5)

A nyomóerő a ábra alapján Fp = ∆p∆y∆z

(6)

∆p = 2ρ L ∆xwωo sin β

(7)

Az erők egyensúlyából

adódik. Az izobárokkal egyirányúvá vált szél sebessége: w=

1 ∆p ⋅ 2ρ L ωo sin β ∆x

(8)

Illusztráljuk ezt egy kiszámított számpéldával! ∆p = 1000 N/m2 ∆x = 1000 km = 106 m β = 48o (É-Magyarország) 1 ωo = 7,3 ⋅10 −5 (A Föld tengelyének szögsebessége) s ρL = 1,18 kg/m3

A fenti értékek behelyettesítésével a szél sebessége: w=

1000 2 ⋅1,18 ⋅ 7,3 ⋅10 −5 ⋅ sin 48o ⋅106

= 7,81

m s

Abban az esetben, ha az 5. ábrán vázolt módon görbülnek az izobárok egy kisnyomású levegőtömböt körülvéve a szél pályagörbéje mentén centrifugális erő is ébred.

5. ábra A szél irányváltozása a Coriolis és a centrifugális erő hatására A nyomáskülönbségből származó erő a Coriolis és a centrifugális erővel tart egyensúlyt. Ha a pályagörbe görbületi sugara R, a centrifugális erő az

6

w2 Fcf = ρ L ∆x∆y∆z ⋅ R

(9)

számítható. Az erőegyensúly most a w2 2ρ L ∆xwωo sin β + ∆xρ L = ∆p R

(10)

egyenletre vezet. A sebességre kapott megoldás w=

 ∆p 4 R ⋅ + (2ωo sin β )2  − 2ωo sin β ± ∆x Rρ L 2 

(11)

Ha egy kisnyomású zónát, egy ciklont vesznek körül az izobárok, a pozitív előjelet kell vennünk, s a sebesség iránya az óramutatóval ellentétes forgási irányra vezet. Egy nagynyomású zóna esetén a nyomásváltozás negatív, a kifejezés előjele is és a légörvény az óramutató járásával megegyező irányban forog. A déli félgömbön természetesen ellenkező előjelű mindkét forgásirány. Az eddig tárgyalt hatások alakítják ki végül is a légáramlások világméretű rendszerét. A 6. ábrán megfigyelhetjük a napsugárzás és a tengely körüli forgás eredményeképpen létrejött globális szélrendszer összetevőit.

6. ábra A globális szélrendszer fő összetevői

7

Nyilvánvaló, hogy az Egyenlítő vidékén a legerősebb a besugárzás. Itt melegszik fel a legnagyobb mértékben a levegő és ennek megfelelően egy kisnyomású övezet alakul ki, amelyben a felmelegedett levegő felszáll, s helyére hidegebb légtömegek áramlanak a ± 30 szélességi fokok felől. Az Egyenlítő mentén felszállt meleg légtömegek a troposzféra nagy magasságú tartományában északi és déli irányban áramlanak tovább, és a ± 30 szélességi fok mentén a lehűlt levegő leszáll. Az itt kialakuló nagynyomású övezet és az egyenlítői kis nyomású öv között alakult ki a passzátszél-rendszer. Ez a Coriolis-erő hatására az északi félgömbön északkeleti, a déli félgömbön délkeleti irányból fúj, az év napjainak több, mint 90%-ban a térítők felől az Egyenlítő felé. Iránya és sebessége alig változik. A térítőknél a leszálló levegő egy része a sarkok felé indul, s a Coriolis erő hatására a nyugati szelek övezetét erősíti. Az egész mérsékelt övben a nyugati szélirány az uralkodó, sőt a troposzféra felső tartományában még nagyobb áramlási sebességek alakulnak ki, létrehozva az ún. futóáramlást. A 60 szélességi fok mentén újra egy kisnyomású felszálló övezet alakul ki, a magasban a sarkok felé tartó áramlással. A sarkok körül a leszálló mozgás nagy nyomású területet alakít ki. A Coriolis erő ebben a tartományban keleti irányba téríti el a szeleket, ezek hevesek, irányukat gyakran változtatják. A magasban tehát az Egyenlítő és a sarkok fölött keleti, a mérsékelt övben kettőjük között a nyugati szelek uralkodnak. Magyarország időjárásának is fő alakítói a ciklonok. A mérsékelt övezet ciklonjainak legtöbbje Izland térségében keletkezik a hideg és a meleg levegő határterületén. Onnan a nyugati szélrendszerrel haladnak Közép-Európa felé. A ciklonok haladási sebessége nagyjából a 30-60 km/ó intervallumba esik. A ciklon belsejében sokkal nagyobb sebességek fejlődnek ki. A spirálisan felemelkedő légörvény, különösen annak legbelső tölcsére erős szívóhatást fejt ki. A tölcsér néha a felszínig terjed, benne akár 200-300 km/ó is lehet a sebesség. Ezek az orkánok elsősorban Északnyugat-Európában okoznak rendkívüli károkat. A globális szélrendszer jellegzetes alkotója a monszun. A tenger és a szárazföld eltérő felmelegedése okozza kialakulását. Nyáron a tenger felől, télen a szárazföld felől fúj a szél. A monszun a nagy földi légkörzés helyileg módosult szakasza. A nagy szélrendszer mellett kisebb, helyi szélrendszerek is kialakulnak: az Alpokban a főn, az Adrián a sirokkó, Észak-Afrikában a számum. Ezek a helyi földrajzi viszonyok módosító hatása miatt különböztethetők meg a nagy, globális szélrendszer egészétől. A szelek kinetikus energiatartalma jelentős. A nagy viharokat, orkánokat leszámítva, a Föld nagy részén kiszámítható állandósággal fújnak s energiatermelésre jól használhatók. A szélenergia az áramló levegő mozgási energiája. A szélenergia-hasznosítás tervezésekor a legfontosabb kiinduló adat a szél sebességének ismerete az adott helyen, mind nagysága, mind iránya. Az egész Földre kiterjedő globális szélrendszer jól ismert átlagértékekkel jellemezhető, de az adott helyen pillanatnyilag kialakuló szélsebesség szinte sohasem állandósult. A szél mozgása turbulens áramlás, amelynek leírására jól bevált egy időbeli átlagértéknek, és egy arra szuperponálódó véletlenszerű ingadozásnak összegeként tekinteni. Az adott helyen megjelenő szélsebesség-változás a felszín egyenetlenségeitől és a légkör hőmérséklet-eloszlásának instabilitásától függ. Egy hegy, egy település épületei, vagy a fák alakja nem „áramvonalas”, hanem rosszul körüláramolható akadályt képeznek a szél útjában. A rááramlás irányából nézve egy meghatározott helyig az áramvonalak simulnak a körüláramlott objektum kontúrjához,

8

de általában a sebességmaximum helyén „leválnak” a körüláramlott kontúrról, s a mögött örvénylő holttér keletkezik (7. ábra). Erős szélben, a felszín közelében a sebességingadozás, a széllökések nagysága az átlagérték 20-50%-át is elérheti. Nagyobb magasságban, pl. 100 m-rel a felszín fölött viszont a 4-10% intervallumon belül esik az ingadozások nagysága. A szél átlagsebessége a talaj fölötti magassággal nő, amint ezt a 8. ábra szemlélteti. A logaritmikus léptékű diagramon a magasság függvényében mért szélsebességeket ábrázoltuk. A különböző átlagsebességekhez azonos lefutású görbék tartoznak.

7. ábra Terepakadályok mögötti holttér keletkezése

9

8. ábra A szél átlagsebességének változása a talajszint fölötti magassággal A görbék alsó, néhány száz méterig terjedő szakasza a diagramon jó közelítéssel egyenesnek tekinthető, tehát egy lineáris léptékű ábrán egy hatványfüggvény képe jelenik meg, amely a v H =  v10  10 

a

(12)

összefüggéssel írható le. Itt v10 a 10 m-es magasságban mért referencia-érték, a tetszőleges H magasságban pedig v a sebesség nagysága. Az a kitevő függ a felszín minőségétől. Sík terepen, füves pusztán, tengerparton a = 0,16. Lakott településen, viszonylag azonos méretű 10-15 m magas terepakadályok (házak, fák) esetén a = 0,28. Nagyvárosok központjában, hegyes-dombos vidéken, egyenetlen terepakadályoknál a = 0,4 vehető. A 9. ábra mutatja a felület minőségétől, az áramlási ellenállás megnövekedésétől függő változást a dimenzió nélküli átlagsebesség és a magasság közötti függvénykapcsolatban.

10

9. ábra A dimenzió nélküli szélsebesség függése a felszín minőségétől A szél átlagsebességének mérésére a 2. ábrán már vázolt kanalas anemométer használható. A „pillanatnyi” értékek PITOT-csővel mérhető. Ezek sem „igazi” pillanatnyi értékek, csak sokkal rövidebb idő alatt mért átlagok. A Pitot-cső működése az áramló közeg mechanikai energiájának megmaradását kifejező Bernoulli-egyenlet alapján érthető meg. A 10. ábrán vázolt cső orr-részét az áramlással szembefordítjuk, s azon az áramlás lefékeződik, ún. torlópont alakul ki. A csőtől távol még a mérendő szélsebességre jellemző kinetikus energia és a légkör nyomása adja az összenergiát, a torlópontban viszont a kinetikus energia is nyomási energiává alakul. v2 p p + = T 2 ρL ρL

10. ábra PITOT-cső vázlata

11

(13)

A PITOT-csőre kapcsolt U-csöves manométer egyik ága a torlóponti nyomást méri, a másik a légköri nyomást. Így a két nyomás különbségéből a sebesség számítható: p −p v= 2 t ρL

(14)

A két nyomás különbsége viszont az U csőben lévő mérőfolyadék szintjeinek különbségéből számítható a hidrosztatika alaptörvényével: pT − p = ρM ⋅ x

(15)

ahol ρM a mérőfolyadék sűrűsége, x a szintkülönbség. Ezzel végül v=

2ρ M x ρL

(16)

A meteorológiai intézetek általában 10 perces átlagokat adnak, a repülőterek 2 perces átlagokat mérnek. Az áramló levegő mozgási energiáját a szélturbinák alakítják forgó mozgássá, mechanikai munkává. A szélturbinát egy magas, karcsú torony tetejére telepítik. A turbinaházban csapágyazott főtengely egyik végén a szélkerék, a másikon egy gyorsító áttételen át meghajtott villamos generátor van. A szélkeréken a forgástengellyel párhuzamosan áramlik át a levegő, mégis lényegesen különbözik egy axiális átömlésű Kaplan turbina járókerekétől, inkább egy légcsavarra emlékeztet, mint a 11. ábra mutatja. A kerékagy kisebb, a lapátok pedig sokkal hosszabbak, mint a vízturbina-lapátok. A 12. ábrán vázolt 1500 kW teljesítményű szélturbina kerékátmérője 64 m, és a terepviszonyoktól függően 60-80 m magas toronyra szerelik. Minél magasabban van a szélkerék tengelye, annál nagyobb a szélsebesség és a gép teljesítménye.

11. ábra A szélturbina főbb szerkezeti részei

12

12. ábra Nagyteljesítményű, háromlapátos szélturbina A forgástengellyel egytengelyű hengerfelület jellegzetes, a repülőgépek szárnyszelvényeire emlékeztető profilokat metsz ki a szélkerék lapátjaiból. A 13. ábra mutat egy ilyen lapátmetszetet, az azt körüláramló levegő áramvonalaival együtt. A profilnak az áramlással szembenéző orrpontjában az áramlás lefékeződik, zérus sebességű torlópont alakul ki. Ebben a pontban az áramló levegő mozgási energiája nyomási energiává alakul, így jön létre a w ∞2 (17) pT = p∞ + ρL 2

13. ábra Szélturbina-lapátszelvény az áramvonalakkal

13

torlónyomás. Az egyenletben p∞ a zavartalan áramlás statikus nyomása, w∞ a sebessége a kerékhez kötött forgó koordinátarendszerben. Az áramvonalakat a lapát eltereli: a torlópontnál kettéváló levegőáram alulról felülről áramolja körül a lapátot, majd a kilépőélnél találkoznak, ahol szintén torlópont alakul ki. Közben azonban a lapát két oldalán különböző nagyságú sebességek alakulnak ki: a felső oldal hosszabb áramvonalai mentén azonos idő alatt teszik meg az utat a levegőrészecskék, mint az alsó oldalon jól felismerhetően rövidebb áramvonalak mentén. Így a felső oldalon nagyobb a sebesség, mint az alsón. A Bernoulli egyenletnek megfelelően az alsó oldalon nagyobb nyomás alakul ki, mint a felsőn. A két nyomás különbsége adja az aerodinamikai felhajtóerőt, ami a repülőgépet is a levegőbe emeli. A felhajtóerő kerületi, forgásirányú komponense hajtja a szélkereket, így alakul át a levegő mozgási energiája a forgómozgás mechanikai munkájává. Ahhoz tehát, hogy a szélkerék lapátján felhajtóerő keletkezzék, szimmetrikus körüláramlás szükséges. Ennek mértéke részben a profil alakjától, részben attól függ, hogy a lapát az áramlás irányához képest milyen helyzetben van. A levegő súrlódása miatt az áramlás irányára merőleges felhajtóerőn kívül az áramlás irányába eső ellenállás is hat. Megfelelően kialakított lapátprofilok esetén az ellenállás a felhajtóerőhöz képest kicsiny. A 14. ábrán a w∞ sebességű áramláshoz képest α állásszöggel elhelyezett lapátprofilra ható erőket látjuk az Ff felhajtóerőt és az Fe ellenállást. A felhajtóerőt és az ellenállást a kísérletileg meghatározható cf felhajtóerőtényezővel és cw ellenállástényezővel a következőképpen fejezhetjük ki: Ff = c f

ρL 2 w ∞ Lb 2

(18)

illetve

Fe = c e ⋅

ρL 2 w ∞ ⋅ Lb 2

(19)

ahol L a profil húrjának hosszát, b a lapát hosszát jelenti a kerékagytól a lapátvégig.

14. ábra Felhajtóerő és alakellenállás a szárnyprofilon

14

A 15. ábrán egy lapátprofil szélcsatornában meghatározott cf és ce értékeinek változását látjuk az állásszög függvényében. Az ábrából kitűnik, hogy a felhajtóerőtényező cf(d) függvénye viszonylag széles állásszög-tartományban lineáris, majd egy maximális érték elérése után csökken. Az ellenállástényező ce(α) függvénye a zérus állásszög körül minimális és a növekvő értékekkel közel parabolikusan változik.

15. ábra Felhajtóerő tényező és ellenállástényező az állásszög függvényében A felhajtóerő-tényező és az ellenállástényező minden egyes profil-alakra más. Ismeretükben a lapátra ható erők nagysága meghatározható, a szélkerék teljesítménye számítható. Az állásszög változtatásával (a lapátokat a kerékagyagban elhelyezett berendezéssel elforgatva) a turbina teljesítménye a rááramlás irányára optimálisan illeszkedve változtatható. A hasznos munkává átalakítható szélenergia mennyiség meghatározásához vizsgálnunk kell a szélenergia és a szélturbinák néhány dinamikai jellemzőjét.

16. ábra Ellenőrzőfelület a teljesítménysűrűség számításához Tekintsük a 16. ábrán vázolt levegőhasábot, amelynek élei a koordinátatengelyekkel párhuzamosak. A sebesség iránya az x-tengellyel párhuzamos, a hasáb erre merőleges felülete A. A másodpercenként átáramló levegőtömeg & = ρ L vA m

Az időegység alatt átáramlott energiamennyiség

15

(20)

2

v & E& = m 2

(21)

1 E& = ρ L A ⋅ v 3 2

(22)

azaz

A teljesítmény az időegység alatt végzett munka, azaz az időegység alatt bekövetkező energiaváltozás 1 P = E& = ρ L Av3 2

(23)

Jellemző érték az ún. teljesítménysűrűség, az egységnyi felületen átáramló teljesítmény P=

P ρL v3  w  = A 2  m 2 

(24)

mértékegysége W/m2.

17. ábra A teljesítménysűrűség változása a szélsebességgel A teljesítménysűrűség tehát a szélsebesség köbével arányos. Mivel a szélsebesség is ingadozik, a teljesítménysűrűség váltakozása nagyon széles határok közé esik. A 17.

16

ábrán a szélsebesség függvényében ábrázoltuk a teljesítménysűrűséget. A sebesség éves középértéknél az egy órai átlag sebesség akár haszon nagyobb lehet a teljesítménysűrűség az éves átlagérték 216-szorosa. Az éves átlagsebességnél mintegy hétszer nagyobb lehet a tízperces átlagérték ez már 294-szeres teljesítménysűrűséget jelent. A 18. ábrán a szélturbinán átáramló levegő áramvonalai által határolt forgásáramfelületet látjuk. A turbina előtt a zavartalan áramlás sebessége v1, és az áramfelület által határolt áramcső keresztmetszet A1. A turbinakerék átmérője meghatározza az áramcső Ao keresztmetszetét, ahol a sebesség a vo értékre csökken. A turbina mögött az A2 keresztmetszet megnő, a sebesség v2 értékre csökken, hiszen a turbina munkája csökkentette a kinetikus energiát. A levegő sűrűségét az 50 m/s sebességhatár alatt állandónak tekinthetjük. A tömegáramok a szélkerék előtt és után nyilvánvalóan megegyeznek.

18. ábra Sebesség és nyomásviszonyok a szélkeréken &1 =m &2 =m & = állandó, m

(25)

ami az állandó sűrűség miatt a v1A1 = v 2 A 2

17

(26)

összefüggéssé egyszerűsödik. A forgórész síkjában a sebesség jó közelítéssel a v1 és v2 sebességek számtani közepével egyenlő vo =

v1 + v 2 2

(27)

A szél teljesítménye a turbina előtt és után 1 P1 = ρ L A1v13 2

(28)

1 P2 = ρ L A 2 v 32 2

(29)

illetve

A turbina teljesítménye nyilván a rááramló és a leáramló levegő teljesítményének különbsége:

(

1 P = P1 − P2 = ρ L A1v13 − A 2 v 32 2

)

(30)

Ugyanezt a tömegáramokkal is felírhatjuk: P=

(

& 2 m v1 − v 22 2

)

(31)

A tömegáramot a kerék síkjában adódó sebességgel is kifejezhetjük a (22) és a (24) egyenletek felhasználásával: A (v + v 2 ) 2 P = ρL o 1 v1 − v 22 (32) 4

(

)

majd némi átalakítás után a 2  v2    v2   P= A v 1 +  1 −    4  v1    v1  

ρL

3 o 1

(33)

A maximális szélteljesítmény a kerékfelületén a v1 sebességű szél zavartalan átáramlása esetén adódna. Pmax =

ρL 2

18

Ao v13

(34)

E két egyenlet segítségével definiálhatjuk az elméleti teljesítménytényezőt

cP =

P Pmax

(35)

amit a sebességekkel is kifejezhetünk: 2 1  v 2   v 2   c p = 1 +  1 −    2  v1    v1    

(36)

A sebességviszony függvényében a 19. ábrán látható az elméleti teljesítménytényező változása, ami a v2 1 = v1 3 értéknél éri el maximumát, ez cpmax=0,593. Egy ideális szélturbina tehát a szél teljesítménysűrűségének 59,3%-át tudná hasznosítani, miközben az eredeti szélsebesség a turbina mögött 1/3-ára csökkenne. Ebben a cpmax értékben még nem jelennek meg az áramlási, mechanikai és energiaátalakítási veszteségek.

19. ábra Elméleti teljesítménytényező a sebességviszony függvényében Ismeretes, hogy a hatásfok a hasznos és a befektetett teljesítmények hányadosa. A szélturbina hasznos teljesítménye Ph = Mω

(37)

a tengelyen nyerhető nyomaték és a fordulatszám szorzata. A nyomaték és a fordulatszám ugyan laboratóriumban mérhetők, de a gyakorlatban sokkal egyszerűbb a szélturbinával meghajtott villamos generátor teljesítményét mérni. Ezért a szélturbina

19

hatásfok-meghatározása helyett az egyébként is összeépített turbina-generátor gépegység hatásfokát célszerű venni. A hasznos teljesítmény ekkor a wattmérővel nagy pontossággal mérhető kimenő elektromos teljesítmény, a befektetett teljesítmény pedig a turbinára rááramló, és a turbinát elhagyó szél teljesítménykülönbsége. η=

Ph P = P1 − P2 P1 − P2

(38)

Ez az eredő hatásfok a rész-hatásfokok szorzata, tehát a turbina-egység és a generátor hatásfokainak szorzata η = ηT ⋅ ηG

(39)

Végezetül, hogy a p1 teljesítménysűrűségű szél energiájának hány százalékát kapjuk, azt a

c peff = c p ⋅ η

(40)

effektív teljesítmény-tényező mutatja meg. Jól tervezett szélturbina-generátor egységeknél ez mintegy 35% lehet. A szélkerekek üzeme jól jellemezhető az ún. gyorsjárati számmal: λ=

U v1

(41)

Ez a kerék külső átmérőjén, a lapátvégeknél adódó kerületi sebesség és a kerék előtti zavartalan szélsebesség hányadosa. Mivel u = R ⋅ω

(42)

a kerék legnagyobb sugarának és a szögsebességnek a szorzata, a gyorsjárati számot a λ=

Rω v1

(43)

alakban is felírhatjuk. A mérnöki gyakorlatban a szögsebesség helyett a percenkénti fordulatszám használata elfogadottabb, az n=

60 ω 2π

(44)

összefüggés figyelembevételével a gyorsjárati száma a λ=

2πRn 60v1

20

(45)

formula adódik. Mivel az összefüggés lineárisan függ a fordulatszámtól, azokat a kerekeket, amelyek legnagyobb teljesítményüket a λopt>3 értékkel jellemzett szélkerekeket gyors járásúnak szokás nevezni. A már bemutatott 3 lapátos szélturbina gyorsjárati száma a 4<λ<10 tartományba esik, tehát gyorsjárású gép, míg egy hagyományos holland szélmalom a 2<λ<3 értékek közé esik, tehát jellegzetesen lassú járású szélkerék. A bemutatott, vízszintes tengelyű háromlapátos szélkerék a legelterjedtebb, de nem az egyetlen szélturbina-típus. Vannak egy-, két- és többlapátos szélkerekek, amint azt a 20, 21. és 22. ábrák szemléltetik. Némileg eltérő géptípus az ún. DARRIEUS-turbina. Ez egy függőleges tengelyelrendezésű gép, amelynek gépészeti berendezéseit (hajtómű, generátor, szabályozó egység) a talajra épített alaptest tartalmazza. A Darrieus-kerék egy fekvő téglalapalakú keret, amelynek függőleges oldalai a profilos lapátok. Lehet 2, 3 vagy 4 lapátos a forgórész. A 23. ábrán látható az egyenes lapátokkal ellátott függőleges tengelyű forgórész vázlata, a 24. ábra pedig a négy lapátmetszetet ábrázolja a vízturbináknál már tárgyalt sebességi háromszögekkel. A szélsebesség irányához képest mind a négy, szimmetrikus lapátprofil állás szöge más-más, természetesen a felhajtóerő és az ellenállás-erő is mind a négy lapátnál különböző, és az eredő erő határvonala is. A kis és nagy nyomású oldal a kerék forgása közben felcserélődik az egyes lapátoknál a szélirány és a lapát egymáshoz képesti helyzetétől függően. Pl. az ábrán az 1. és 2. lapát esetén centripetálisan, befelé, a 3. és 4. lapátoknál centrifugálisan kifelé mutat a felhajtóerő. A kerék szögelfordulása során a 0o és a 180o helyzetekben az áramlási szög zérus, ott nem ébred felhajtóerő. Így olyan állás is kialakulhat, hogy a leállt Darreiusturbina nem tud újraindulni a holtpontról, s egy segédberendezéssel kell megforgatni. A Darrieus-turbinák forgórészalakja is nagy változatosságot mutat a tervezői fantáziától függően. A 25. ábrán látható esztétikus konstrukció szinte modern, mozgó térplasztikaként illeszkedik a tájba. A Darrieus-turbinák is a gyorsjárású szélturbinák családjába tartoznak, optimális gyorsjárati számuk a 4 és 5 érték közé esik.

20. ábra Egylapátos szélkerék

21. ábra Kétlapátos szélkerék

21

Egy adott szélturbina teljesítményének kihasználtsága akkor jó, ha üzem közben az optimális gyorsjárati szám, tehát a legjobb teljesítménytényezőt adó fordulatszám közelében járatható.

22. ábra Többlapátos szélkerék

23. ábra DARRIEUS szélturbina vázlata

24. ábra Sebességi háromszögek a Darrieus forgórészen

22

A különböző szélsebességeknél a gyorsjárati szám legkedvezőbb értéke, amelynél a kerék a legnagyobb teljesítményt adja le, különböző fordulatszámokhoz esik, amint az a 26. ábrán látható. A kisebb teljesítményű szélkerekek lapátozása merev, nem állítható. A nagyobb teljesítményű szélturbinák zöme szinkron-generátort hajt. Ez a rendszer megköveteli, hogy a szélkerék és a generátor is, a változó szélsebességek ellenére állandó fordulatszámon járjon, s gyorsjárati száma is állandó legyen. Ez a kettős követelmény csak változtatható lapátszögű szélkerék révén elégíthető ki. A szárnylapát állásszögének változtatása ugyanis befolyásolja a lapátra ható felhajtóerőt, a kerék fordulatszámát, terhelését.

25. ábra Darrieus szélturbina A jelenleg gyártott szélturbinák élettartamát várhatóan 20-25 évre becsülik. Egy szélerőmű gazdaságosságát az élettartama alatt megtermelt energia mennyisége határozza meg. Mivel a szélből nyerhető teljesítmény a szélsebesség köbével arányos, a nagyteljesítményű, az országos hálózatra dolgozó szélgenerátorokat olyan helyre célszerű telepíteni, ahol biztosan lehet számítani az állandó, zavartalan légmozgásra.

26. ábra A gyorsjárati szám optimális értéke

23

A 27. ábrán látható térkép mutatja a Föld felszínének azokat a területeit, ahol a rendszeresen elegendő szélsebesség kedvező feltételeket tesz lehetővé. Ezek elsősorban tengerparti területek Északamerikában, nyugateurópában, Délamerika csendesóceáni partján, Északkelet-Ázsiában, északnyugat-Afrika partközeli sávjában. Ezeken a helyeken minél több szélturbina-egységet telepítenek. A 28. ábrán egy Koppenhága közelében telepített „szélfarmot” látunk. Dánia elektromos energiaszükségletének ma már több, mint 20%-a szélenergia hasznosításából származik. 2003-ban a világ villamosenergia-termelésének 0,4%-a 39 000 MW származik a szélenergiából. A világtermelésből Németország 38%-kal részesedik. Az USA és Spanyolország követi a németeket ebben a rangsorban.

27. ábra A szélsebesség eloszlása

28. ábra Koppenhága közelében telepített „szélfarm”

24

A szélturbinák ellen is hevesen tiltakoznak egyes környezetvédő csoportok. Egyik érvük a zaj, a másik a szélfarmok természeti tájakat „elcsúfító” vizuális környezetszennyezése. Nem szeretnénk a demagógia vétségébe esni, csak szerényen kérdezzük: a budapesti panorámát is elcsúfítják a Duna-hidak? Egy erős ellenérv, hogy túl sok madár és denevér lesz a szélkerekek áldozata. Ez a szám eltörpül a közutakon elpusztult madarak, de főleg a vadászok „termelékenysége” mellett. A modern szélturbinák surrogó zaja sem erősebb, mint a szél zúgása egy erdő fái között. A végső érv azonban, hogy a légkört szennyező, véges készletekkel bíró fosszilis energiahordozók helyettesítésére alkalmas a szélenergia.

25

DR. BOBOK ELEMÉR DR. TÓTH ANIKÓ MEGÚJULÓ ENERGIÁK EGYETEMI TANKÖNYV KÉZIRATA MISKOLCI EGYETEM M ŰSZAKI FÖLDTUDOMÁNYI K AR K ŐOLAJ ÉS F ÖLDGÁZ INTÉZET

Recommend Documents