Fénytechnika Tükrös nap erőmű Dr. Wenzel Klára egyetemi magántanár
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
A Föld energia forrásai A kimerülőben lévő energia források: Fa Szén Lignit Kőolaj
Földgáz Nukleáris energia
A megújuló energia források: Nap energia Víz energia Szél energia Bio energia
A Föld energia mérlege
A víz-, a szél- és a bio-energia forrása is a Nap energiája!
A Nap energiájának hasznosítása
A kutatók számításai szerint a napenergia hasznosításával a fűtési energiaszükséglet mintegy 80-85%-át lehetne biztosítani az egyenlítőtől a 45. szélességi fokig terjedő napsütéses övezetben. (Magyarország az északi szélesség 470 – án helyezkedik el…)
A napenergia eloszlása a Földön A vörös, sötétvörös és narancssárga területeken lehet jó hatásfokkal hasznosítani a napenergiát, míg a sárga, zöld és kék területeken már nem éri meg.
A napkollektorok Tervezési szempontok: •A visszasugárzás
csökkentése
(hőszigetelés)
•A hőelnyelés növelése (szelektív optikai bevonatok) •Megoldatlan: a termelt hő energia
tárolása
A napkollektorokat általában háztetőkön helyezik el, lehetőleg a napsugarakra merőlegesen Optomechatronikai feladat lenne: a kollektor felületét folyamatosan a Nap felé fordítani!
A vákuumcsöves napkollektorok
A vákuumcsöves napkollektor részei: Belső üvegcső szelektív bevonattal (jó hőelnyelés, kis visszasugárzás) Hőátadó folyadék Külső üvegcső, a két üvegcső között vákuum (jó hőszigetelés)
CPC tükör (összetett parabolikus hátsó tükör)
Vákuumcsöves napkollektor panel
A sík napkollektorok
A síkkollektorok hő közvetítő közeget (pl víz) melegítenek fel. Részei: Elnyelő lemez (kollektor) Szelektív bevonat – minimális sugárzási veszteség Kollektorház Hőszigetelés Csővezeték Munkaközeg (a csővezetékben áramlik) Üvegfedés (lemoshatóság)
A napelemek villamos energiát termelnek. Részei: •Elnyelő lemez (abszorber). Ennek anyaga általában szilicium egykristály (drága!) •Szelektív bevonat – minimális sugárzási veszteség •Hőszigetelés •Villamos vezeték •Üvegfedés (lemoshatóság)
A hőcsöves napkollektorok
A hőcsöves napkollektor részei: Belső üvegcső szelektív bevonattal (jó hőelnyelés, kis visszasugárzás) Hőátadó folyadék Külső üvegcső, a két üvegcső között vákuum (jó hőszigetelés)
CPC tükör (összetett parabolikus hátsó tükör) Hőcső (lehegesztett réz csőben 25 mbar vákuum, ebben néhány milliliter desztillált víz, amely a kis nyomáson már 300 C alatt felforr. 4-5-ször több hőt termel, mint a sík kollektor
A napállás α szöge a
A parabola vályúk b távolsága
Földfelszínhez képest
450
1.41 a
300
2.00 a
100
76. a
A tükrös Naperőmű alap gondolata: •Egy hatalmas paraboloid napenergia gyűjtő „antenna”
•Fókuszában egy gőz termelő kazán •A gőz egy gőzturbinát működtet •A gőzturbina az elektromos hálózatra dolgozik •Az antenna viszonylag kicsi síktükrökből áll
A termelt hőenergiát azonnal villamos energiává alakítják és az országos elektromos hálózatba táplálják – nem kell tárolni a hőenergiát
Módosítási ötlet: A paraboloid antenna részei a Földön is elhelyezhetők! •Egyszerűbb összeszerelés •Kisebb állvány •Egyszerűbb tisztítás
A tányéros naphőerőmű parabola antennáját 2 tengely körül kell forgatni. Az egyik tengely függőleges, ez teszi lehetővé, hogy a tükör követni tudja a Nap pályáját napkeltétől napnyugtáig, (kelettől nyugatig). A másik tengely vízszintes, ez teszi lehetővé, hogy a tükör optikai tengelye mindig a Nap magasságának megfelelő szögben álljon.
Megoldás: a Fresnel-tükör elv alkalmazása
A Föld egyik első naphőerőműve az USA-ban, a kaliforniai Lancester mellett, a Mojave sivatagban épült 2009-ben
A megvalósítás: OPTOMECHATRONIKA •24 000 síktükör
4 mezőben 6-6 ezer tükör •A tükrök sík felületen helyezkednek el •Minden tükörnek külön mozgató rendszere van, amely folyamatosan a kazánra irányítja a fényt
•2 kazánt alkalmaztak, egy-egy 50 m magas oszlopon
•A mozgatásokat számítógép irányítja 200 km távolról, Pasadénából
Minden egyes tükör bármely Nap-állásnál a kazánok nyílásába vetíti a Nap fényét
A tükör rendszer
A tükrök mozgatása
A
A tükrök mozgatása két szabadságfokú, 2 mozgatás, léptető motorokkal
A tükrökről a sivatag porát a mosó robot mossa le.
A kazánok
A kazánok súlya feltöltetlen állapotban 66 tonna. 50 m magas oszlopokon állnak. Mindkét kazán 2-2 nyíláson át fogadja be a fényt.
A kazánok
•A kazánok ajtaja körül az üzemi hőmérséklet 12000 C.
•Az ajtókat kerámia burkolat védi
A kazánok teljes belső felületét a fűtő csövek burkolják
Az erőmű ellenőrzése
Az erőművet 9 oszlopon elhelyezett kamerák figyelik A kamerák képét 200 km-rel távolabbra, az erőmű központjába, Pasadénába továbbítják.
GEMASOLAR, tükrös naperőmű Andaluziában Felavatták 2011 májusban
195 hektáron 2600 tükör. A tükrök mérete egyenként 120 m2
24 órás működés, mert a hőenergiát nagykoncentrációjú, kb 500 fokos sóolvadékban tárolják. 30 000 háztartás teljes energia ellátását biztosítja.
30 000 tonna széndioxid kibocsátást takarít meg.
Az andaluziai naperőmű
A GEMASOLAR tükrös naphőerőmű 195 hektáron 2600 tükör segítségével gyűjti a napenergiát. A tükrök mérete egyenként 120 m2. Az erőmű teljesítménye 19,9 megawatt. Az erőmű napi 24 órát működik, mert a hőenergiát nagy koncentrációjú, kb 500 fokos sóolvadékban tárolják. Ez az erőmű 30 000 háztartás teljes energia ellátását biztosítja, és ezzel 30 000 tonna széndioxid kibocsátást takarít meg.
A Föld energia mérlege A naperőművekkel betelepíthető terület [1]: A Föld melegégövi sivatagainak területe: ~ 20 000 000 km2 = 2 * 10 13 m2 Ennek legfeljebb 1/10-e hasznosítható (sziklás területek, úthálózat, kiszolgáló épületek) A Föld felszínére merőlegesen sugárzó Napenergia teljesítménye éves átlagban [2]: ~1225 W/m2 Ennek legfeljebb 1/100-a hasznosítható (a Napnak éppen nem kitett vagy a Napra éppen nem merőleges területek, erőművi hatásfok) A hasznosítható napenergia teljesítménye tehát ~ 2,45 * 10 13 W Ha feltételezzük, hogy ez a nap 24 órájában megtermelhető, akkor a hasznosítható napenergia: ~ 2.1 * 10 18 Joule 2005-ben a világ villamos energia termelése az összes fosszilis, nukleáris és megújuló energiaforrásból [3] ~ 25 000 GWh = ~ 9 * 10 16 Joule
A naperőművekből gazdaságosan kinyerhető energia tehát a Föld jelenlegi villamos energia termelésének mintegy 23-szorosa
[1] [2] [3] [4] [5]
Szenzációs szerelők: Tükrös Naperőmű, National Geographic TV, 2010 Horváth Eszter-Kristóf Andrea-Szép Hajnalka-Vági Krisztina: Zonális melegövi sivatagok Varga Zoltán Balázs: A megújuló energia források, PhD értekezés, 2008. VIKIPÉDIA: A Napállandó Gács Iván: Naphőerőművek, Magyar Energetika, XIX. Évfolyam, 4. szám, 8-12. old. 2012. szept.
Több évtizedes, fantasztikusnak tűnő energiatermelési tervet készül megvalósítani a NASA [5]. Az elképzelés szerint egyenként mozgatható, kisméretű, vékonyfilmes tükrökkel felszerelt műholdat építenének, amely napelemeivel elektromos árammá alakítaná a fényt, majd az így megtermelt 10, de akár 1000 megawatt energiát mikrohullámok segítségével továbbítanák a földi vevőállomásra
VÉGE
A
A
A
A
