Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Környezettudományi Centrum

Szakdolgozat

Fókuszált napenergia és annak hasznosítási lehetıségei

Készítette:

Milus Bálint

biológia-környezettan tanár szak

Témavezetı:

Horváth Ákos

Tanári konzulens:

Böddiné Schróth Ágnes

Budapest, 2009

Eötvös Loránd Tudományegyetem

3

1. Bevezetés

1.1. A 21. sz. társadalmainak energiakérdése, fosszilis energiahordozók felhasználásának

problémái

Az emberiség életét, fejlettségtıl függetlenül, mindig nagyban befolyásolta a számára

felhasználható energia, kezdve az emberi és állati izomerıtıl, a biomasszán át, a jelen kort

meghatározó fosszilis energiahordozókig. A társadalmak kulturális, tudományos és technikai

fejlıdésük során egyre több energiát igényeltek, mely új energiafelhasználási módokat és új

energiahordozók megjelenését eredményezte. Az elsıdleges cél mindig a megnövekedett

energiaigény kielégítése volt. Az ember az elmúlt 10000 évben megközelítıleg 120 szorosára

növelte energiaigényét. Jelenleg a fosszilis energiahordozókból fedezzük energiafelhasználásunk

túlnyomó többségét (2000-ben 85.6% - KISS Á., KÖRNYEZETFIZIKA JEGYZET, 2004.). Ezen

energiahordozók (szén, földgáz, kıolaj) újratermelıdése a felhasználás sebességéhez és az

emberi élet léptékéhez képest túlságosan hosszú, ezért ezek technikai szempontból nem megújuló

energiaforrások, mennyiségük véges, egyes számítások alapján kb. 200-300 évre elegendıek még

(KISS-HORVÁTH, 2006) További energetikai probléma, hogy földrajzi elhelyezkedésük egyenletlen

és a világ legnagyobb fogyasztótársadalmai éppen energiahordozóban szegény területeken

lelhetık fel. A fosszilis energiahordozók megnövekedett felhasználása (leegyszerősítve:

elégetésüket) tehetı felelıssé mára a globális éghajlatváltozásért (az üvegházhatású gázok

globális kibocsátásának 63%-át az energiatermelés és fogyasztás okozza – DR. MUNKÁCSY B., AZ

ENERGIAGAZDÁLKODÁS ÉS AZ EMBERI TÉNYEZİ, 2008.). Ezen tények fényében belátható, hogy

energiagazdálkodási szerkezetváltásra van szükség, mely a jelenlegi központosított nagy

erımőveket elınyben részesítı energiapolitika átalakítása mellett, egyrészt társadalmi

változásokat igényel, így többek közöt a fogyasztás csökkenését, hatékonyabb felhasználást

feltételez, másrészt új és már régóta ismert technológiák, a megújuló energiaforrások (víz-, szél-,

napenergia, biomassza) növekvı bevonását jelenti. Ezek nem csak újratermelıdnek, de földrajzi

eloszlásuk is jóval egyenletesebb, mint fosszilis társaiké. Dolgozatom a lakossági és ipari célokra

is egyaránt alkalmazható napenergia-hasznosítási mód egy szegmensét képezı napkollektoros

rendszerekkel foglalkozik, különös tekintettel a fókuszált napenergia hasznosítására.

4

1.2. Megújuló energiaforrások az EU-ban és Magyarországon (célkitőzések, vállalások ,

irányelvek)

Az energetikai szerkezetváltást, így a megújuló energiaforrások bevonását, rengeteg érdek

mozgatja. Akár a gazdaság számára kívánatos stabilitást, folyamatos növekedést és az ebbıl

fakadó növekvı energiaigényt, akár a fenntarthatóságot és így az újratermelıdést, a környezet és

egészség védelmét vesszük figyelembe, hosszú távon egy alternatív út látszik kijelölve a világ

országainak energiapolitikájában: a megújuló energiaforrások kiaknázása és részesedésük

lehetıség szerinti fokozása az energiatermelésben. Az Európai Unióban (továbbiakban EU) 2030-

ig várhatóan 50%-kal nı a földgázkereslet, de már 2020-ra 22%-os fedezeti hiánnyal kell

számolni (ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN, 2006. 8. SZ. P. 31.). Az EU megújuló

energiákra vonatkozó energiapolitikai irányelvét jól érzékelteti, hogy az EU-ban a megújuló

energiahordozók részaránya az összes energiatermelésben 2000-ben átlagosan 6%

(Magyarországon 3,6% ), 2020-ban várhatóan 20% lesz (míg Magyarországon ez 14% körül

alakulhat majd) (MUNKÁCSY B., ENERGIAGAZDÁLKODÁS PPT, 2007.). Az EU vállalás alapján nem

csak a megújulók részesedése növekszik, hanem ezzel egyidejőleg 20 %-kal kell csökkenteni a

szén-dioxid kibocsátását, és 20 %-kal kell növelni az energiahatékonyságot. A megújuló

energiahordozók terjedését nagyban segíti ez a politikai hozzáállás, hiszen nem csak az állami

beruházások révén nı így meg a kereslet ezen technológiák iránt, hanem pályázati pénzek, és

fıleg állandó állami támogatások révén a lakossági kereslet is fokozódik; ez ösztönzi az ilyen

irányú technikai fejlesztéseket, és végsı soron egyre elérhetıbbé és gazdaságosabbá válik ezen

energiahordozók kiaknázása.

Magyarország (továbbiakban Mo.) jelenlegi energiapolitikája a 21/1993.(IV. 9.) sz. országgyőlési

határozaton alapszik, mely olyan fıbb stratégiai elemeket foglal magában, mint az energiaellátás

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

költség

biomassza

földhı

napelem

szél

napkollektor

1.ábra. A megújuló energiahordozók költségcsökkenése (FORRÁS: NREL, 2005)

5

diverzifikációjának fokozása, a Szovjet utódállamoktól való importfüggıség csökkentése, az

energiahatékonyság növelése, fokozott környezetvédelem, így az erımővek szennyezıanyag

kibocsátásának csökkentése. A Nemzeti Környezetvédelmi Program (NKP) 1997-2003-ig

teljesítendı 97 célkitőzése között is szerepel a megújuló energiafelhasználás ösztönzése és

megfelelı támogatási rendszer kialakítása. Ezért az NKP egy rövid és középtávú megújuló

energiaforrás fejlesztési program létrehozását javasolta. Továbbá az Országos Területfejlesztési

Koncepció egyik fı célkitőzésének tartja a környezetvédelem és a természeti erıforrások

fenntartható kihasználását és kezelését. Ezen kormányzati programok és célkitőzések értelmében

a megújuló energiafelhasználás arányát Mo.-on a 2007-es 3%-ról 2010-re 5-6%-ra kell növelni;

ez a megújulók részarányának megduplázását jelenti, mely illeszkedik az EU említett

célkitőzéseihez.

1.3. A megújuló energiák felhasználásának áttekintése, történeti háttere

A megújuló energiaforrások versenyképessége benne rejlik magában az elnevezésben. A

megújuló kifejezés arra utal, hogy emberi léptékben, illetve felhasználásuk ütemében

újratermelıdnek. Összevetve a fosszilis energiahordozók végességével és tartalékaik

kimerülésének prognózisával érthetıvé válik, hogy a mára mind gazdaságilag, mind politikailag

általánosan elfogadottá vált fenntartható fejlıdés gondolatába könnyen és jól beleilleszthetıek a

megújuló energiaforrások. Azonban ezen energiaforrásoknak nem csak revolválódásuk ad teret az

energiapolitikában, hanem alacsony környezeti terhelésük is. Mindennek ellenére jelenleg az

emberiség összes energiaszükségletének csekély, mindösszesen 0,5%-át fedezi megújuló

energiákból.

A megújuló energiaforrásokat a szolgáltatott energia típusa szerint három kategóriába

sorolhatjuk: rendezett mozgási energiát hordozók, kémiai és villamos energiát hordozók,

hıenergiát hordozók, melyek nem a megszokott anyagi értelemben (pl.: szén, kıolaj, földgáz)

energiahordozók (a biomasszától eltekintve).

A rendezett mozgási energia források már régóta ismertek az ember számára, ide tartozik a

vízenergia és a szélenergia. Az ember ezeket technikai fejlıdésének kezdetétıl ismeri és

használja, mind a közlekedésben (hajózás), mind a mezıgazdaságban (vízi- és szélmalmok). Az

iparosodással és az igények változásával alkalmazásuk átalakult, és mára elektromos áram

6

termelésre hasznosítják ezeket. A vízenergia az egyetlen, amely számottevı a világ

energiaigényének kielégítésében (2,3 %), alkalmazási formái, bár eltérıek lehetnek, lényege,

hogy a víz áramlásánál (vagy zuhanásánál) fogva áramtermelı generátorokat hajt meg. Az

áramlás létrejöhet úgy, hogy folyó vizeket duzzasztanak fel gátrendszerek segítségével

(duzzasztómő), vagy az ár-apály vízmozgást használják ki hasonló elven. A szélenergia

hasznosítása során az ember a Föld légköri áramlásait aknázza ki a levegı áramlás útjába állított

széllapátok segítségével, mely forgási energiát hoz létre, ezt szintén áramgenerátorok

meghajtására alkalmazzák.

A kémiai energiaforrások nagyon hasonlóak a már nagy tömegében használt fosszilis

energiahordozókhoz és egyben a legrégebbi energiahordozónak számítanak az emberiség

történetében (lásd tőzifa). A biomassza elnevezés, mint megújuló energiaforrás, alatt azon

biológiai úton keletkezı (zömmel növényi, vagy autotróf módon termelıdı, illetve állati

szervezetek vagy az ember által megtermelt hulladék) anyagokat értjük, melyek nagy

energiatartalmuk (vagy ezekbıl mikrobiális úton felszabaduló bomlástermékek, mint pl.: metán)

révén alkalmasak a bennük rejlı kémiai energia kinyerésére (egyszerősítve: elégetésre).

Alkalmazásuk sokrétő a teljesség igénye nélkül a következık: az ipar (pl.: Ajkai hıerımő) és a

lakosság is használ fatüzelést hıenergia elıállítására, a biodízel és bioetanol növényi eredető

folyékony tüzelıanyag, melyet elsısorban a közlekedés hasznosít, továbbá kommunális

szemétbıl, állati ürülékbıl, növényi hulladékokból biológiai úton (lebontó folyamatok) nyerhetı

éghetı gázok (leggyakrabban metán) a földgázhoz hasonló, elsısorban ipari céllal hasznosítják

(bio-gázerımővek). A biomassza hasznosítása reneszánszát éli, rengeteg lehetıséget rejt

magában. Azonban érdemes szem elıtt tartani, hogy a biomassza termelés és felhasználás a

gazdaság más összetevıire milyen hatással van, így a biomassza-termelés esetén az ipari célú

mezıgazdasági termelés nem lehet totális felváltója az élelmezés célú gazdálkodásnak (növekvı

élelmezési gondokat és élelmiszer áremelkedést vonhat maga után).

A megújuló energiaforrások által termelt hıenergia, több forrásból is származhat: lehet

geotermikus energia és származhat a napsugárzásból, mely egy viszonylag nagy energiát hordozó

elektromágneses sugárzás. A geotermikus energiát a Föld radioaktív atomjainak bomlásából

felszabaduló energia és a maradékhı hozza létre, aminek következtében a Föld hıt bocsájt ki.

Sugárirányban haladva a Föld középpontja felé kilométerenként átlagosan 30 °C-kal emelkedik a

hımérséklet, ez földrajzi elhelyezkedéssel változhat, hazánkban ez az érték 50- 60 °C körül van.

7

A geotermikus energia kiaknázására a magas hımérséklető termálforrások, vagy a vulkáni

tevékenységeket kísérı gejzírek a legalkalmasabbak, mivel ezek hımérséklete kellıen magas (

nagy energiatartalmúak) és könnyen hozzáférhetıek. Egy geotermikus erımő kb. 1700-2300 liter

150°C hımérséklető vízbıl percenként 1 MW teljesítményt állít elı. A geotermikus energia

mesterségesen is hozzáférhetı fúrások útján, és nagy elınye, hogy folyamatosan elérhetı,

továbbá a világon mindenhol rendelkezésre áll, bár kétségtelen, hogy vannak kevésbé költségesen

kiaknázható területek, ide tartozik Magyarország is. A másik hıenergia forrás a Nap. A

napsugárzás révén a légkörön határára érkezı energia nagysága 1370 W/m², ez a napállandó. Ezt

a viszonylag nagy energiájú sugárzást a Föld elnyeli, illetve részben visszaveri, a föld által

visszasugárzott energia, hısugárzás formájában jelenik meg. A napsugárzás hıenergiaként való

hasznosítása ugyan ezen az elven mőködik, vagyis a beesı napsugarakat, elnyeletik valamely

abszorber tárgy (napkollektor) segítségével, mely késıbb közvetítı (hıközlı) anyagokon

keresztül vagy direkt módon (pl.: kerti zuhany melegvize) vagy közvetett módon (fagyálló

hıátadó folyadékok) kerül felhasználásra. Alkalmazása a lakosság körében egyre elterjedtebb

fıleg használati melegvíz készítésre, illetve főtés rásegítésre, míg ipari célú felhasználása

gyerekcipıben jár még. Iparilag leginkább a hagyományos gızturbinás rendszerek meghajtására,

hıforrásként hasznosítják, de történnek fejlesztések szélturbinák és Stirling-motorok

meghajtására is. Dolgozatom célja egy jelenleg kevéssé elterjedt és ismert alkalmazási terület, a

fókuszált napenergia-hasznosítás megismertetése és a benne rejlı lehetıségek számbavétele,

többek közt egy saját fókuszáló rendszer megépítésén keresztül, így ezen rendszerekkel

részletesebben a következı fejezetekben foglalkozom.

A napsugárzást direkt módon is alkalmazzák villamosáram termelésre, fotovillamos

modulok (napelemek) felhasználásával. Ezek két rétegőek (pozitív és negatív) félvezetı szolár

cellákból állnak, melyeket a fény fotonjai gerjesztenek, ezen gerjesztett elektronok

villamosáramot hoznak létre. Alkalmazási területük széleskörő, így az iparban gyárak, üzemek,

érzékelık elektromosáram ellátására használják, a nagy kiterjedéső napelem mezık rátermelnek a

villamos hálózatra, továbbá lakossági eszközök közt is nap mint nap találkozhatunk

napelemekkell.

Látható tehát, hogy a megújuló energiaforrások sokrétő alkalmazást tesznek lehetıvé,

azonban mint minden változást, a megújuló energiaforrások szélesebb körő bevezetését és

elterjedését is sokan ellenzik. A megújuló energiaforrásokkal szemben gyakran merülnek fel

8

kifogások. Az egyik az, hogy csak idıszakosan képesek termelni, ez leginkább a szél- és

napenergia hasznosításnál merül fel problémaként. Az így termelt energia idıjárásfüggı, ami

kiszámíthatatlanná teszi a termelést, szemben egy hıerımő vagy egy atomerımő statikus

termelésével. Valójában a centralizált, nagy erımővekbıl álló hálózat üzemeltetése is felvet

néhány kérdést a kiszámíthatósággal kapcsolatban: azaz hogyan tudja követni a néha

szélsıségesen változó, dinamikus fogyasztás igényeit (erıs napszak és évszak függés) a maga

állandó termelésével (Pl.: Paksi Atomerımő reaktorblokkjai nem visszaterhelhetık), illetve egy

decentralizált szélerımő hálózat kis valószínőséggel egyszerre mőködik vagy éppen áll le. A

másik ellenérv a magas ár. Azt hogy egy energiahordozó mennyire drága, azt termelési költsége

(végsı soron eladási ára) és az állami támogatás mértéke szabja meg. Az állami támogatás

visszaesésével a költségesebb, és eddig nem vagy csak beruházási oldalon támogatott megújuló

energiaforrások jobb piaci helyzetbe kerülnek. Továbbá a fosszilis energiahordozók világpiaci ára

hosszabb távon mindenképpen növekszik, így csökken az árkülönbség is. A harmadik ellenérv az

esetleges ökológiai negatív hatások, mely probléma eddig leginkább a vízerımővek esetén került

elı Mo.-om. Ezek az erımővek telepítése valóban csak átgondolt tervezés és szakmai egyeztetés

után (az érintett civil szervezetek bevonásával), konszenzusos döntés eredményei lehetnek,

azonban nem elhanyagolható tény, hogy a potenciálisan telepíthetı vízerımővek a Földön

összesen 3 TW energiát tudnának szolgáltatni, mely jelenleg 21%-át fedezné a világon

2. ábra. A kıolajszármazékok árának alakulása (FORRÁS:

HTTP://WWW.MOL.HU/GAZKERDES/ARKEPZES.HTML)

9

elfogyasztott energiának. Egy másik, a közelmúltban kutatott ökológiai problémával is számolni

kell, mely a fotovillamos termelık (napelemek) terjedésével is összefüggésben áll; egyes rovarok

fajok tájékozódását megzavarják a napelem modulok, melyek így azok környékén kezdenek

rajzani és tesznek sikertelen próbálkozást a szaporodásra, ez azonban vélhetıen elhanyagolható

mértékő a hasonló problémát okozó üveghomlokzatokhoz képest.

2. A napenergia hasznosításának fizikai, földrajzi, meteorológiai, technológiai

háttere

2.1. A napsugárzás, mint elektromágneses sugárzás fizikai alapjai

A Nap a földi élet kulcsa, az általa a Földet érı elektromágneses sugárzás, azaz a napsugárzás

tartja fenn és szolgáltat energiát az élıvilág számára és többek között teremt megfelelı

körülményeket az élı szervezetek fennmaradásához. A Nap a naprendszer legfontosabb és

legnagyobb égiteste, csaknem 1,4 millió km átmérıjő, sárga csillag. Egy plazma gömb, mely

centrális hımérsékletét 15 millió °K-re becsülik, itt fúziós folyamatok zajlanak, minek

következtében hidrogén héliummá alakul, ez látja el energiával; felszíni (fotoszféra)

hımérséklete 6000 °K körüli, innen érkezik a látható fény. A hidrogén héliummá alakulásakor, a

már említett fúziós folyamat zajlik le, a csillagok energiatermelését magyarázó magfúziós

elméletet George Gamow és Teller Ede dolgozta ki 1938-ban, ennek lényege hogy „ ha a bejövı

atommag olyan mélyen behatol a másik Coulomb-taszításának övezetébe, hogy eléri annak

nukleáris vonzástartományát, a magerı magához rántja a behatoló atommagot, munkavégzése

mozgási energiát termel, majd ez az energia foton formájában kisugárzódik. A létrejövı nukleáris

kötés hidrogénbıl nehezebb atommag kialakulásához vezet.” (MARX GYÖRGY,

ATOMMAGKÖZELBEN, 70.O., 1996). A Nap tömegének meghatározó részét adó könnyő hidrogénben

(1H) a nukleáris vonzás nem képes fúziót elıidézni, a könnyő hidrogénbıl instabil hélium

atommag jön létre (1H+1H→2He). Ez a két proton nem képes kötött rendszert alkotni, azonban

kis valószínőséggel pozitív β-bomlás (pl.: elektron befogás) jön létre és deuteron keletkezik (e-

+2He→2H). A deuteron már alkalmas további magfúzióhoz, a folyamat végeredménye pedig 4He

és a felszabaduló – számunkra oly jelentıs - kötési energia (41H→ 4He+ e++e++5 pJ). A β-bomlás

úgy szabályozza be a folyamatban a hidrogén fuzionálását, hogy annak ideje sok milliárd évre

10

nyúlik el, megnövelve a Nap élethosszát. Számokban: a 1030 kg tömegő energiaszolgáltató

csillagunk tíz milliárd éven keresztül 4*1026 watt teljesítményő energiát sugároz ki, 1 kg hélium

képzıdésekor kb. 180 millió kWh energia szabadul fel. Földünkre ebbıl annyi energia jut három

nap alatt, mint amennyit jelenleg az emberiség egy év alatt termel meg. Az atmoszféra határát

1,37 kWh/m² értékő sugárzás éri el (napállandó), ebbıl a Föld felszínére megközelítıleg 0,34

kWh/m² teljesítmény jut el, a teljes Földre beesı sugárzás 170 milliárd MW, azaz kb. 2*1034 J

évente, ez összehasonlítás képen 10000 szerese a világ teljes energiaigényének (DR. GÖİZ LAJOS,

ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007).

2.2. A Földre jutó napenergia sorsa, a napsugárzás energetikai kérdései (nappálya, beesési

szög, intenzitás)

A légkört elérı napsugarak (I0) egy része visszaverıdik a légkör molekuláin (visszavert

sugárzás), ez kb. 35%, egy részét a légkör nyeli el, kb. 17%, a maradék 48 % éri el a földfelszínt.

A felszínt a napsugárzás érheti közvetlenül (direkt) módon, valamint szórt sugárzás formájában, a

kettı összesen adja a teljes, vagy más szóval globál sugárzást. A közvetlen sugárzás a Nap

irányából, párhuzamos sugarakkal, közel akadálytalanul éri el a felszínt. A szórt sugárzás a

légkör összetevıin szóródik, iránya eltérı a direkt sugárzásétól. A szóródás mértéke függ a

földrajzi adottságoktól és az éghajlati tényezıktıl, vagyis ha a napsugaraknak minél hosszabb

utat kell megtennie a légkörben (alacsony fekvés) és az idıjárási viszonyok (végsı soron

általánosságban éghajlati sajátosságok) rosszak (magas páratartalom, felhı, köd stb. formájában)

3. ábra. Az elektromágneses sugárzás spektruma (FORRÁS: WIKIPEDIA)

11

akkor a szóródás annál nagyobb. Nyáron átlagosan 50% körüli a szórt sugárzás, télen lényegesen

nagyobb. A szórt és direkt sugárzás aránya megszabja a hasznosítható energia mértékét, vagyis

annál nagyobb a kinyerhetı energia mértéke, minél nagyobb a direkt sugárzás. Azok a földrajzi

területek, melyek magasan fekszenek, általában véve elınyösebbek, mivel a magasabb

területeken ritkábban borult az ég, nagyobb az évi napsütéses órák száma az azonos földrajzi

szélességen fekvı alacsonyabb területekhez képest. Magyarországon a direkt sugárzási értékek,

vagyis a napsütéses órák száma, területi eloszlást figyelembe véve 1900-2250 óra közt változik,

ennek 75 %-a a nyári évszakra esik (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007). Ezért a

napenergia télen a főtési rendszerek kizárólagos energiaforrásaként nem, vagy csak igen nagy

túlméretezéssel alkalmazhatóak, ezért (fıleg a beruházási költségek és a technikai

megvalósíthatóság miatt) sokkal inkább rásegítı szerepet töltenek és tölthetnek be a

főtésrendszerek tekintetében. Itt szükséges megjegyezni, hogy a szórt sugárzás télen eléri az 50

W/m² teljesítményértéket, amit ha összehasonlítunk a főtésméretezésnél irányadó 75 W/m²

teljesítménnyel (norvég főtésteljesítmény standard), amely megfelelı technikával elég jelentıs

4.ábra. Napsütés idıtartama éves átlag havi bontásban (FORRÁS: WWW.OMSZ.HU)

5.ábra. A napsütéses órák évi összege és földrajzi eloszlása (FORRÁS: WWW.OMSZ.HU)

12

lehetne. Magyarországon évi 2200 napsütéses órával számolva 1300 kWh/m² a napsugárzás éves

összege, ebbıl átlagosan a napkollektoros rendszerek 420 kWh/m²/év energiát nyernek (32-33%-

os hatásfok). Ezt alapul véve egy Tisza tó nagyságú (127 Km2) területen 53,34 TWh/év energia

lenne megtermelhetı a már ismert technológiákkal, ami kb. másfélszerese a magyarországi 1990.

évi energiaszükségletnek. Látható tehát, hogy emberi léptékkel mérve hatalmas mennyiségő

energia éri el a Földet, ami részben visszaverıdik, részben elnyelıdik a felszínen. A felszín

anyagminıségétıl függıen különbözı mértékben veri vissza a sugarakat, ennek mérıszámát

albedonak nevezik. A hó 80-85%-os albedójú, mely érték tehát kifejezi,hogy hány százaléka

verıdik vissza a havat ért sugárzásnak. A kisugárzott energia a felszínt infravörös sugarak

formájában hagyja el (radiáció), továbbá energia fordítódik a nedvességtartalom elpárolgására,

illetve a növények fotoszintézisére. Ez a kisugárzott hımennyiség nem vész el, mivel a légkör

páratartalma, gázai és szennyezıdései, visszaverik illetve elnyelik és visszasugározzák a felszín

felé, ezt a jelenséget hívják üvegházhatásnak. Ennek a „csapdázódásnak” a következménye, hogy

a Föld feletti levegı átlag hımérséklete +15°C. Léteznek „természetes napkollektorok” is; az

óceánok, tengerek, vizek albedója 5%, vagyis a beesı napsugárzás 95%-át elnyelik és mivel a víz

fajhıje nagy, ezért jobb hıtároló, mint a kövek, talaj, növényzet (általánosságban: a

szárazföldek), így óriási hıtartalékot jelentenek. További természetes napkollektorok a sóstavak,

melyek eltérı hıháztartásúak az óceánoktól. Ezek a tavak úgy mőködnek, hogy mikor a

napsugarak felmelegítik a vízfeneket, az itt létrejövı melegebb víz normálisan felemelkedne más

tavakban vagy óceánokban fajsúly csökkenésük miatt, azonban a magas só koncentrációjú

vizekben a melegebb víz még több sót old, így fajsúlya növekszik, ami meggátolja

felemelkedését. A tó fenekén akár 90°C-os hımérséklető is lehet a víz, melyet a felette rétegzıdı

alacsonyabb hımérséklető vízrétegek elszigetelik a külsı, hidegebb környezettıl. Ezen tavak

kiaknázása még folyamatban van.

A Földön a nappalok évi átlagban egyenlı hosszúságúak, azoknak csak eloszlásukban van

különbség, az egyenlítıtıl való távolság tehát az évi besugárzás idıtartamát nem befolyásolja,

azonban a napsugarak beesési szögére hatással van. A napsütéses órák évi átlagát tehát a földrajzi

hosszúság és szélesség önmagában nem befolyásolja, de a földrajzi elhelyezkedésbıl fakadó

éghajlati eltéréseket(éghajlati övezettség), továbbá a lokálisan változó domborzati viszonyok

eltérı klimatikus viszonyokat eredményeznek, így valójában az évi napsütéses órák szám az

eltérı földrajzi pontokon nagy különbségeket mutathatnak. Ez az oka annak, hogy a térítık

13

mentén kialakuló sivatagokban magasabb a napsütéses órák száma, mint egyenlítı környékén

(eltérı klimatikus viszonyok). A napsugarak intenzitása a Föld minden pontján azonos, így ha a

napsugarak merılegesen esnek be, akkor egységnyi felületen mérve, minden szélességi fokon

azonos sőrőségő, vagy ha úgy tetszik azonos mennyiségő energia juthat a felszínre. A Föld

felszíne azonban eltérı szöget zár be a különbözı szélességi fokokon a napsugarakkal (90°-φ±δ=

maximális nap magasság, azaz a beesési szög, ahol φ a földrajzi szélesség, δ pedig a Nap

deklinációs értéke), tovább árnyalja a helyzetet, hogy a felszín is egyenletlen(északi és déli lejtık

eltérése), a nap pedig mozgásban van, ezért idıben is változik a sugarak beesési szöge. Ha a

napsugarak ferde szögben esnek egy felületre, akkor egységnyi felületen annál kevesebb

sugárnyaláb esik be, minél ferdébb szögben éri az adott területet (a sarkok környékén negyed

annyi energia jut le a egységnyi felületre mint az egyenlítı környékén). Látható tehát, hogy a

beesési szög hogyan befolyásolja az energiasőrőséget, egy másik fontos tényezı az abszorbció

mértéke. A fotonok mikor áthatolnak a légkörön, annak alkotóival ütközhetnek

(abszorbeálodnak), az ütközések a kezdeti I0 intenzitás csökkenését fogják okozni, a két

intenzitás közti eltérést az abszorbció mértékét adja meg. A légkör vastagsága hatással van a

beesı fény intenzitására, mivel minél vastagabb, azaz nagyobb légtömegen kell keresztül hatolnia

a fénynek, annál nagyobb valószínőséggel abszorbeálódnak a fotonok. Egy leegyszerősített

számolással figyelembe vehetjük az elérı szélességi fokokra érkezı fény úthosszát úgy, hogy az

adott szélességi fok cosinusának reciprokát vesszük, mely az optikai légréteg vastagságát (air

mass: m) fejezi számunkra ki (1/cosα=m).

2.3. A napenergia felhasználásának technológiai lehetıségei, háttere (napelem,

napkollektor mőködésének bemutatása, kollektor típusok)

A napenergia felhasználása a már leírtak alapján reális és jártható alternatív útnak látszik az

energetikai szerkezetváltás szempontjából hazánkban is. A földrajzi adottságok behatárolják a

hasznosítás lehetıségeit, de más tılünk kevésbé kedvezı elhelyezkedéső országokból kiindulva

(Dánia, Finnország, skandináv országok), szembetőnik lemaradásunk e téren (is). A

következıkben sorra veszem a napenergia hasznosítás már létezı és alkalmazható úgynevezett

aktív (az ide vonatkozó szakirodalmak megkülönböztetnek aktív, gépészeti, és passzív, építészeti

napenergia hasznosítást) technológiai lehetıségeit, melyek alapvetıen három nagy csoportba

14

sorolhatóak: fototermikus, fotovillamos és kombinált rendszerek (ez utóbbiakat külön a harmadik

fejezetben tárgyalom részletesen).

2.3.1. Fototermikus rendszerek

A fototermikus rendszerek, ahogy azt az elnevezés is mutatja, a hıenergia elıállítását

végzik, mely energia valamely közeg felfőtésére használható fel. Javarészt az így megtermelt

hıenergiát főtésre (itt épületek hımérsékletemelése), vagy használati meleg víz elıállításra

fordítják. Ez az egyik legelterjedtebb felhasználási mód a világon, melyet magyaráz, hogy

technológiailag könnyen kivitelezhetı,viszonylag alacsony beruházási költségek mellett, jó

megtérüléssel alkalmazhatóak (melegvíz használatnál egy villany bojlerrel összevetve kb. 2-5 év

után behozza az árát) egyszerő, praktikus rendszerek. Tekintettel arra, hogy hazánk éghajlata

mellett egy háztartás éves energiaigényének 60-65%-át a főtés emészti fel, mely nem csak a

költségeket növeli,de ha a főtést nem megújuló energiaforrással fedezzük, ez jelentıs CO2

kibocsátást is eredményez. Azonban érdemes ismételten megjegyezni, hogy a napenergia mint

kizárólagos energiaforrás egy háztartás főtésénél nem alkalmazható, mivel bár éves szinten jól

tervezhetı, de a mindennapokban esetleges az elérhetısége (erıs idıjárás függés jellemzi). Ezért

a fototermikus rendszerek leginkább rásegítı, alternatív megoldást szolgáltathatnak a

háztartásokban. A fototermikus rendszerek lelke a napkollektor, ez egy olyan tárgy, mely jó

hatásfokkal nyeli el a napsugarakat, alakítja át hıenergiává és adja át a benne áramló

munkaközegnek. A napkollektorok típusai lehetnek: szabad nem szelektív köböskollektorok,

szabad nem szelektív síkkollektorok, (fedett) nem szelektív síkkollektorok, szelektív

síkkollektorok, vákuumos síkkollektorok, vákuumcsöves síkkollektorok.

A szabad nem szelektív köböskollektorok valamely feketére festett szabadon álló tárolók,

hordók, tartályok, melyek egyben a munkaközeget (legtöbbször a felhasználásra szánt vizet)

tárolják is. Hatásfokuk eltérı, de csekély a többi kollektoros rendszerhez mérve, köszönhetıen a

szigetelés hiányának és a napsugarak által ért felület és térfogat kedvezıtlen arányainak .

Felhasználásuk célja a használt víz komfortérzetének növelése (kerti fürdıvíz, tábori mosdók

melegvíz ellátása), létjogosultságát alacsony ára és könnyő kivitelezhetısége jelenti.

A szabad nem szelektív síkkollektorok, alapvetıen hasonlóak elızı társaikhoz, azzal a

különbséggel, hogy itt külön tároló tartalmazza a felhasználásra szánt munkaközeget és felület-

térfogat arányuk jóval kedvezıbb. Elınye, hogy szabadon éri el a napsugárzás az abszorber

15

felületét, így itt a legkisebb a reflexió, magas optikai hatásfok jellemzi, azonban hátránya, hogy a

környezeti hımérséklet különbségre érzékeny szigetelés hiányában, hatásfoka összességében

kicsi, fıleg medence főtésre használják.

A (fedett) nem szelektív síkkollektorok az elızıtıl szigetelésükben különböznek, így

optikai hatásfokuk a fény útjába kerülı átlátszó fedél (leggyakrabban üveg vagy UV álló

polikarbonát) miatt kisebb, de a burkolat szigetelésének köszönhetıen hatásfokuk jobb, kevésbé

érzékeny a külsı hımérsékletre, azonban szelektív bevonat hiányában kisugárzásuk magasabb a

szelektív kollektorokéhoz képest.

7. ábra. Vákuumcsöves kollektorok szerkezetei (FORRÁS: WWW.MEFO.HU/INDEX.PHTML?PID=SOLAR_TERM

(BALRA), WWW.AFREEE.COM/TERMEK_HOCSOVES.HTM (JOBBRA)

6 .ábra. Síkkollektorok általános felépítése (FORRÁS: DR MUNKÁCSY BÉLA ENERGIAGAZDÁLKODÁS

JEGYZET)

16

A szelektív síkkollektorok, ahogy azt nevük is mutatja szelektív bevonattal vannak ellátva,

ez nagyban csökkenti a kisugárzási veszteséget, anyaga általában réz a jó hıátadás miatt,

veszteségét döntıen a konvekció okozza, melyet a szigetelés (általában az üvegfelület) és az

abszorber közt fellépı légmozgások okoznak.

A vákuumos síkkollektoroknál a konvekcióból adódó veszteséget a burkolatban létrehozott

vákuum csökkenti, hátránya lehet a vákuumzáró anyagokból fakadó többletköltség.

A vákuumcsöves kollektoroknál a szigetelést az üvegcsövekben létrehozott vákuum

biztosítja, így konvekciós veszteségei elhanyagolhatóak, azonban az íves üvegfelületek reflexiója

nagyobb mint sík társaiké. Itt alapvetıen két technológia létezik, az egyiknél a csıbe belép az

abszorber, abban végig fut, majd a csı azonos vagy ellentétes oldalán kilép ( a munkaközeg

kering), a másiknál az abszorber csı vakon végzıdı csı, melyben a munkaközeg elpárolog, az

abszorber végén egy hıcserélın kondenzálódik, majd visszacsurog a csı falán,ennél a típusnál a

kondenzációnál felszabaduló hıt hasznosítják.

Hazánkban kevéssé ismert a koncentráló kollektorok típusa, ezek olyan tükrökbıl, vagy

lencsékbıl állnak, melyek a napsugarakat (direkt sugárzást) fókuszálják, ez által nagyobb

energiasőrőséget elérve, végsı soron magasabb elérhetı hımérsékletet produkálnak. Itthon ezek

8. ábra. Kétkörös főtés rásegítéses napkollektoros rendszer felépítése (FORRÁS:

HTTP://USERS.ATW.HU/HEILINGSOLAR/FUTESRENDZERVAZLAT.JPG)

17

felhasználása a „naptőzhelyre” korlátozódik,mely egy tükörparabolából áll, aminek a

fókuszpontjába helyezett edényben fızni lehet.

A napkollektoros rendszerek lehetnek egykörösek, vagy kétkörösek. A mi éghajlatunkon a

kétkörös rendszereket használják, mivel télen nem lehet direkt módon a kollektorban keringtetni

a vizet, mert az optimális esetben is éjjel (napsugárzás hiányában) megfagyna, tönkre téve a

vezetékeket, ezért azokon az éghajlatokon ahol, fagypont alá süllyedhet a hımérséklet, fagyálló

munkaközeget keringtetnek a kollektorokban. A két kör (vizes és fagyálló kör) közt a hıátadást

hıcserélıvel biztosítják.

A kollektorok hatásfokát a következı képen határozhatjuk meg: η = η0 – a * X – b * Gk *

X2. Itt η0 zérus hımérséklet különbség melletti optikai hatásfok, a, b méréssel meghatározott

állandók, X a hatásfok összefüggés független változója (X=(munkaközeg közepes hımérséklete –

külsı levegı hımérséklete)/Gk), Gk a napkollektor felületére merılegesen érkezı globális

napsugárzás (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007.)

2.3.2. Fotovillamos rendszerek

A napenergia ezen hasznosítása közvetlenül állít elı elektromos áramot, ami vagy

hıvillamos (a sugárzást érzékelı) hıelemes, hıionos vagy fotoelektromos alkalmazásokkal

történhet.

9. ábra. Kollektorok hatásfoka (FORRÁS: WWW.MEFO.HU/INDEX.PHTML?PID=SOLAR_TERM)

18

2.3.2.1. A hıvillamos energia-átalakítók

A hıvillamos ( termoelektromos ) energiaátalakítók a hıenergiát alakítják át közvetlenül

villamos energiává, mőködése a Seebeck-effektuson alapul, miszerint „…két különbözı anyagú

vezetı végeit összeszorítva, az egyik érintkezési pontot melegítve feszültség észlelhetı a két

anyag között. A PbTe és PbSe alkalmazásával alacsony hatásfokkal (8-10%) üzemelı hıvillamos

energia-átalakítók készíthetık…” (HTTP://WWW.VET.BME.HU/OKT/INDEX.HTM), ezt a technológiát a

hadsereg használja fıleg. Elınyei, hogy felügyelet nélküli üzemeltethetı, nagy megbízhatóság

jellemzi, és hosszú élettartamú, egyszerően karbantartható eszközök.

2.3.2.2. Hıionos energia-átalakítók

A hıionos elektromos áram termelése az Edison-effektussal magyarázható, minek során, ha

egy fémet vákuumban felhevítünk, akkor a fémbıl elektronok lépnek ki, mely ezáltal

elektronfelhıbe burkolózik. Az elektronok a szembe állított másik, nagy pozitív potenciállal

rendelkezı (alacsony hımérséklető) fém irányába indulnak; a légüres téren át a kilépı

elektronokkal keletkezı töltés hasznosítása azonban a felületek közti vákuum megteremtésének

nehezen megoldható miatt költséges és gyakorlati alkalmazása körülményes. A vákuum

kiváltására a legújabb fejlesztések során ( ENECO HTTP://CORPORATEUK.ENECO.NL ) egy félvezetıt

alkalmaznak, amely elég vastag ahhoz, hogy az emitter és a kollektor közötti jelentıs

hımérséklet-differencia lépjen fel. Az eredmény egy olyan apró energia-átalakító chip, amely

600 Celsius-fokon is mőködıképes, és a forró és a hideg oldalak közti hıenergia-differenciát, a

fotovillamos rendszerek viszonylatában jónak mondható 30 %-os hatásfokkal, elektromossággá

alakítja. A maradék a hideg oldalt melegíti, és hasznosítás nélkül vész el.

2.3.2.3. Fotoelektromos energia-átalakítók

A fotoelektromos hatást viszonylag régóta ismert, már 1839-ben Becquerel fel fedezte,

alkalmazásuk azonban váratott magára. A fotoelektromos napelemek félvezetıkbıl (szilícium

alapanyagúak fıleg) épülnek fel, ezekben a szilícium atomokhoz foszfor atomok kapcsolódnak,

melyek egy felesleges elektronnal rendelkeznek így, ezek az úgy nevezett n réteg (negatív oldal)

szabad elektronjai. A másik réteg a napelemekben a p réteg (pozitív), ebben a szilícium brómmal

alakít ki kötéseket, minek következtében elektronhiányos réteget kapunk. Az így kialakított n-p

rétegő szolár cellában fotonok hatására fotofeszültség alakul ki. Az idıben állandó feszültség (

19

fotofeszültség ) annak következtében jön létre, hogy a beesı fotonok többlet töltéshordozókat

hoznak létre. E töltéshordozók a kristályban kialakult belsı lokális villamos tér hatására

elmozdulnak, ill. felhalmozódnak, így az anyagban tértöltés, ennek hatására pedig fotofeszültség

keletkezik. Ezt a feszültséget elektromos körbe kötve, elektromos áram generálható, mely

folyamat addig tartható fenn míg fotonok érik az n réteget. A fotoelektromos eszközök gyakorlati

alkalmazása felé vezetı úton meghatározó jelentıségő volt a fotoelektromos ( fényvillamos )

jelenség felfedezése p-n átmenetekben. Ha a fotonok energiája nagyobb, mint ami egy elektron

kiszabadításához szükséges, akkor a felesleges energia hıvé alakul. A folyamat bizonyos

hımérsékleti tartományban mőködik optimálisan, ezért túl hidegben, vagy (a gyakorlatban

gyakrabban) túl melegben a rendszer hatékonysága lecsökken, tehát célszerő ezeket a

fotoelektromos eszközöket hőteni. Az elıállított áram egyenáram, mely a kisfogyasztók

energiaellátására alkalmas, azonban a hálózatba nem visszatáplálható. A megtermelt egyenáramot

inverterek segítségével lehet váltóárammá alakítani. A napelemek hatásfoka akkor a legnagyobb,

ha a napsugarak merılegesen érik annak felületét, hasonlóan a kollektorokhoz, tehát a

napsugarak beesési szögének a 90°-tól idıben(napszak, évszak) és térben(földrajzi elhelyezkedés,

domborzati viszonyok) való eltérése ezeknél az eszközöknél is problémát okoz. A napelemeknek

a következı típusait alkalmazzák: monokristályos, polikristályos, amorf technológia.

Az amorf napelem rendezetlen szilíciumkristályokból áll, könnyen gyártható, olcsó.

Külsıleg egy fekete sávokat tartalmazó, keretezett üveglap. Élettartama, 5-10 év, hatásfoka

alacsony, 5-7% körül mozog, ellenben jó ár-érték arányú eszközök. Kimenı feszültsége nem

minden esetben igazodik az akkumulátorok 12-24 voltjához, ehelyett 40-50 volton mőködik.

Szigetüzemő érzékelık, mobil használati tárgyakba építve, hordozható elektromos fogyasztók

stb. megtáplálására igen széles körben elterjedt.

A polikristályos napelem rendezett szilícium polikristály cellákból áll, melyek sorba-

párhuzamosan vannak kapcsolva, külsıleg kékeslila színezetőek. Hatásfokuk 12-14% körül

alakul, élettartamuk 10-20 év, jól illeszkednek a 12 voltos (fıleg szigetüzemben használatos)

rendszerekhez, közepes árfekvésőek, így háztartási villamos áram elıállítás céljából vásárolt

fotovillamos rendszerek alkotóiként a legelterjedtebb napelemek.

A monokristályos napelem modulok hatásfoka 15-18% körüli, monokristály cellákból áll,

soros-párhuzamos kapcsolással összekötve. Cellái fekete színőek, külsıleg jól elkülöníthetıek,

20

élettartamuk 15-30 év. Ezek a legdrágább, ám minıségileg kiváló napelemek, néhány változatuk

kissé felhıs idıben is jól mőködik.

A legújabb kutatásoknak és fejlesztéseknek ( pl.: az amerikai Massachusetts Institute of

Technology nanotechnológiai tanszékén) köszönhetıen vékonyfilm technológiával készülnek a

jövıben a napelemek, ezek rugalmas, ellenálló, vízzáró polymer fotovillamos fóliák, melyek

alkalmasak egész tetık és épületfrontok borítására. Hazánkban napelemekkel kedvezıen

betelepíthetı épületfelületek összesen 4051 km², ez 10%-os átlagenergia átalakítás mellett a

megtermelt villamos energia tizenkétszerese a Mo. 2004. évi villamos energia fogyasztásának

(PÁLFY MIKLÓS, ENERGIA GAZDÁLKODÁS 45. ÉVF. 2004.5.).

2.4. A napenergia felhasználásának korlátai és problémái

Tény, hogy a napenergia az ember számár kifogyhatatlan és a szükségesnél jóval nagyobb

energiaforrás, kiaknázása azonban technikai problémákat vet fel. A jelenleg létezı alkalmazott

rendszerek hatásfoka bár sem 100%-os (és valószínőleg soha nem is lesz az), de ennek ellenére a

benne rejlı lehetıségeket, ha teljesen kiaknáznánk, energiaszükségletünk többszörösét tudnánk

10. ábra. A napelem vázlatos felépítése (FORRÁS: HTTP://WWW.KEKENERGIA.HU/NAPZELL.HTML)

21

megtermelni, ezért elvben (az energia mennyiségeket összehasonlítva) képesek lennénk a

fosszilis energiahordozókat teljesen kiváltani. Miért nem tesszük? Az ok részben anyagi,

gazdasági természető, ezekrıl már volt szó (beruházási költségek, támogatási problémák,

gazdasági lobi stb.), más részrıl viszont technikai természető. Két fı technikai probléma okoz

gondot a napenergia felhasználásában, az egyik a termelési ingadozás, azaz az erıs évszakos és

idıjárás függés, a másik a földrajzi elhelyezkedésbıl és domborzati viszonyokból adódik, vagyis

a már említett 90°-os beesési szögtıl való eltérés és az optikai légtömeg vastagsága, mely

meghatározza a hasznosítható energia mennyiségét.

A termelési ingadozás az idıben változó rendelkezésre álló napenergia következménye. Ez

egy részt köszönhetı az idıjárásnak, mely közép és rövid távon befolyásoló tényezı, más részt az

éghajlati sajátosságoknak, ami hosszabb távon szabja meg a napsugárzás mértékét. Rövid távon

pedig az éjjelek és nappalok váltakozása teszi szakaszossá a napsugárzást mint energiaforrást. A

megtermelhetı energia tehát egyenletlen, így néha a szükségesnél több, néha pedig kevesebb.

Felmerül az igény tehát a pufferelésre és a tárolásra. A legkézenfekvıbb megoldás, a már

meglévı elektromos hálózatra termelés, így a hagyományos erımővek termelését kiegészítve,

azokkal összehangolva egy „hibrid” energia ellátó rendszert lehetne létrehozni. A napsugárzás

változásait a statikus erımővek pufferelnék , vagyis akkor is lenne áram, ha nem sütne a Nap. Az

ilyen rendszerek más megújulókkal kiegészítve (pl.: szélerımővek, melyek éjjel is

üzemelhetnek), kellıen alacsonyan tartaná a fosszilis energiahordozók felhasználást. Követendı

példa lehet a kétségtelenül jó adottságokkal rendelkezı Dánia, ahol a villamos energia

felhasználás akár 80%-át is fedezhetik a megújuló energiaforrások, köszönhetıen leginkább a

kiterjedt szélerımő hálózatnak. Ma Magyarországon a „kistermelık”, azaz a háztartási

napelemek és szélkerekek tulajdonosai gyakorlatilag nem tudják visszatermelni a hálózatra a

termelt felesleges energiát, jóllehet azt elvben a áramszolgáltató megvásárolná, az ok az energia

szektor konzervativizmusa. Hazánk szomszédságában, Ausztriában már megoldott az ilyen

jellegő kereskedés a szolgáltató és fogyasztó között, hiszen technikailag kivitelezhetı.

A napenergia nehezen tárolható, a természetben egy biológiai energiakonverzió, a

fotoszintézis alakítja át kémiai energiává a napenergiát, az ember az elıállított elektromos áramot

pedig ugyan csak kémiai energiává alakítja át és tárolja akkumulátorok formájában. Az

energiatárolásnak ez igen költséges és elégtelen módja, csak kis fogyasztók vonatkozásában van

létjogosultsága. Az energia tárolás egyik legkézenfekvıbb módja, ha helyzeti energiává

22

konvertáljuk a napenergiát. Az ilyen típusú energiatárolás nem új kelető, a hagyományos

erımővek esetében is alkalmazott módszer lényege, hogy a felesleges energiát a víz magasabban

fekvı területekre való jutatatására fordítják, ennél fogva a víz helyzeti energiája megnövekszik.

Növekvı fogyasztásnál ezekbıl a tározókból leeresztve a vizet turbinákon át újra elektromos

áram nyerhetı. A statikus erımőveknél így kiküszöbölhetıek a fogyasztási ingadozásból fakadó

termelés szabályozási problémák. A tároló közeg nem csak víz lehet, gáz halmazállapotú

anyagok, leggyakrabban levegı, sőrített formában történt tárolása is megoldást nyújthat az

energiatárolásra, az ilyen mechanikai akkumulátorok, lehetnek akár kimerült bányaüregek is ( pl.:

USA-ban sóbányákat használnak ilyen céllal). A napsugárzásból származó energia elektromos

árammá alakítás nélkül is tárolható. A napkollektorok nyáron sokkal több hıenergiát állítanak

elı, mint szükséges lenne, ezt tartályokban meleg víz formájában tárolják, mely így akár napokig

biztosít megfelelı meleg víz ellátást. A gond az, hogy a hıenergia tárolása a tárolók és tároló

közegek hıvesztesége miatt kis hatásfokú. A tárolás másik lehetséges módja az lehet ha

hidrogént elıállításra fordítódik a napsugárzás által megtermelt elektromos áram. A mőködési elv

az, hogy az elektromos árammal vízbontásból (elektrolízis), hidrogént és oxigént állítanak elı, a

hidrogén tárolása és szállítása hasonló a földgázéhoz. Felhasználása egyszerő és sok analógiát

mutat a fosszilis energiahordozókkal, károsanyag-kibocsátás pedig az égetéskor keletkezı

vízgıznek köszönhetıen gyakorlatilag elhanyagolható. Jelenleg azonban a hidrogénbıl elıállított

energia drága, 20 USA Dollár/GJ szemben a biometanollal, melybıl származó energia 7 USA

Dollár/GJ. (DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007).

A másik említett technikai problémát a napsugarak változó beesési szöge okozza. A beesési

szög csökkenésével csökken az egységnyi felületre esı energiamennyiség, vagyis csökken az

energiasőrőség. Ez végsı soron alacsonyabb munkaközeg hımérsékletet okoz a

napkollektoroknál, vagy teljesítményeséssel jár a napelemes rendszereknél. Ezért a napsugarak

útjába állított sík felületeket a lehetı legoptimálisabban kell elhelyezni, hazánkban ez egy télen

nyáron mőködı sík napkollektor esetében déli tájolású 42°-os szöget bezáró ferde elhelyezést

jelent. A hatásfok akkor lenne a legnagyobb, ha napkeltétıl napnyugtáig a lehetı legnagyobb

beesési szöggel érnék a sugarak egész évben a kollektor felületét. Ahhoz, hogy a Nap idıben

változó helyzetét, más szóval a napjárást követni lehessen, napkövetı rendszerek telepítése lenne

szükséges. A gyakorlat azt mutatja, hogy a lakossági napkollektorok, napkövetés nélkül is

képesek megfelelıen tájolva és méretezve biztosítani a szükséges hımennyiséget, így tehát a

23

napkövetı rendszerek igénye nem a lakossági, hanem sokkal inkább az ipari felhasználásban

kaphat és kap szerepet. Az ipari alkalmazásokban ugyanis gyakorta szükséges az igen magas és

lehetıség szerint állandó üzemi hımérséklet, ezeket pedig fókuszáló rendszerekkel biztosítják. A

fókuszálás elınye, hogy nagy területre érkezı napenergiát sőrít össze, megnövelve az egységnyi

felületre esı energia mennyiségét, hátránya hogy a fókuszpont a Nap járásával idıben változik,

ezért a fókuszpontba helyezett munkaközeg csak rövid idıre kerül a fókuszált sugarak útjába.

Ezeknél a rendszereknél elengedhetetlen a napkövetés.

3. A napenergia fókuszálása

Az elızıekben már említett fókuszáló rendszerek sajátossága a nagy energiasőrőség

(E/felületegység dimenzióban) elıállítása. Mivel a Nap felıl az egységnyi felületre beesı

napsugárzás energiamennyiségére nem lehetünk hatással kézenfekvı a megoldás, hogy a

beérkezı sugarakat győjtsük össze és egy nagyobb energiasőrőségő nyaláb formájában

hasznosítsuk. A nagy energiasőrőség elınye, hogy idıegység alatt nagyobb energiamennyiséget

tudunk közölni azonos mennyiségő munkaközeggel, szemben a fókuszálást nem alkalmazó

rendszerekkel.

3.1. A fókuszáló rendszerek fizikai jellemzıi

A fókuszáló rendszerek alapvetıen kétféle képpen győjthetik a napsugarakat: tükör

segítségével irányítják a sugarakat egy pontba, vagy győjtılencsék használatával fókuszálják a

lencse felületére esı sugarakat. Ez utóbbi kivitelek azt a sugárzási mennyiséget tudják egy pontba

győjteni, ami a lencse felületére esik, ha tehát nagy területre esı napsugárzást szeretnénk

összegyőjteni ezzel megegyezı nagyságú lencsére van szükségünk. Több száz m2-es területrıl

történı fókuszálás ilyen módon nem vagy csak nehezen megoldható, ezért nagy energia

szükséglet esetén tükrös rendszereket alkalmaznak. A tükrök vagy síktükrök, amelyek

dılésszögét úgy választják meg, hogy azok egy azonos szők tartományba tükrözzék vissza a

rájuk esı fényt, vagy homorú tükrök, amelyek fókuszpontjukba verik vissza a párhuzamosan

érkezı napsugarakat. A síktükröknél a fényvisszaverıdés törvénye alapján a fénysugár beesési

szöge megegyezik a visszaverıdés szögével, továbbá a beesı fénysugár és a visszavert fénysugár

egy síkban vannak, ez a beesési sík. Beesési pontnak nevezzük azt a pontot, ahol a fénysugár a

visszaverı felülettel találkozik. A beesési ponton áthaladó, a visszaverı felületre merıleges

24

egyenes a beesési merıleges. A beesési merıleges, és a fénysugár által bezárt szög a beesési

szög. A párhuzamosan érkezı fénysugarak azonos síktükrön szabályosan verıdnek vissza, azaz a

visszavert fénysugarak is párhuzamosak lesznek, ha azonban a tükrözı felület szabálytalan, a

párhuzamosan beesı sugarak eltérı irányban verıdnek vissza, a fénysugarak szóródnak. A

síktükrök annál kevésbé szórják a fényt, minél egyenletesebb a foncsorozott felület.

A homorú tükrök lehetnek: (fél)gömbtükrök, (fél)hengertükrök vagy

parabola(tányér)tükrök. A homorú tükörök, győjtı tükrök. Az optikai tengellyel párhuzamos, és

ahhoz közel beesı sugarakat egy pontba (F) egyesítik.

11. ábra. Visszaverıdés geometriája

(FORRÁS: HTTP://WWW.OPTIKA.HU/MANAGER.ASP?PAGE=HTTP://WWW.OPTIKA.HU/MAGAZIN/TUKOR/TUKOR.HTM)

25

Legegyszerőbb típusa a gömbtükör, amelynek jellegzetes pontjai a következık: görbületi

középpont (C), fókuszpont, (F) optikai középpont (O). A gömbtükör gyújtótávolsága a

fókuszpontnak az optikai középpontból mért távolsága, azaz a görbületi sugarának a fele. A

hengertükröknél a visszaverıdés a henger forgástengelyével párhuzamosan egy egyenes mentén

történik, mely egyenes távolsága az optikai középponttól megegyezik a henger sugarának felével.

Ilyen értelemben analógnak tekinthetı a gömbtükörrel. A parabola azon pontok mértani helye a

síkban, melyek egyenlı távolságra vannak egy adott ponttól (F fókuszpont, vagy gyújtópont) és

13. ábra. Parabola (FORRÁS: WIKIPEDIA)

12. ábra. Homrú tükör geometriája (FORRÁS:

HTTP://WWW.OPTIKA.HU/MANAGER.ASP?PAGE=HTTP://WWW.OPTIKA.HU/MAGAZIN/TUKOR/TUKOR.HTM)

26

egy ezen a ponton át nem haladó adott egyenestıl (direktrix), azaz az ábra alapján FP távolság

egyenlı PD távolsággal.

Ha a párhuzamos fénynyaláb a tengellyel egy irányban vetıdik a parabola alakú tükör

felületére, a visszavert sugarak a fókuszpontban találkoznak. Ha megfelelıen nagy a parabola

tükör felülete (elegendı energiát tud begyőjteni), akkor a Nap fókuszált sugarai képesek

meggyújtani a fókuszba helyezett gyúlékony anyagot, ezért is hívják a fókuszt gyújtópontnak. A

napsugárzás direkt (párhuzamos) és szórt (eltérı irányú) sugárzásból tevıdik össze, a fókuszáló

rendszerek csak a direkt sugarakat képesek győjteni, mivel a sugárzás ezen része éri

párhuzamosan a tükörfelületet.

A fókuszált napsugarak útjába helyezett kollektor elnyeli a sugarakat, a napsugárzás

energiája hıenergiává konvertálódik. A kollektor felületére esı sugarak egy része elnyelıdik,

más részük visszaverıdik. A sugarak visszaverıdése, függ a kollektor reflexiójától és a sugarak

beesési szögétıl, minél kisebb reflexiójú bevonata van a kollektornak annál hatékonyabb az

elnyelés (pl.: matt fekete). A felületre esı fénysugár azon beesési szöge, mely már teljes

mértékben reflektálódik a határszög vagy kritikus szög).

3.2. A nappálya

A fókuszáló homorú tükrök, mint ahogy azt már említettem, saját forgástengelyükkel

párhuzamosan beesı direkt sugárzást képesek összegyőjteni. A Nap járásával a párhuzamos

sugarak beesési szöge változik, így a Földhöz képest mozdulatlan homorú tükrök tengelyétıl is

idıvel eltér, ezért a tükrök napkövetése szükséges a fókuszpontba célzáshoz. Ahhoz, hogy a

tükrök mozgása követni tudja a nap vonulását, olyan napkövetı rendszerre van szükség, mely

számol a Föld Nap körüli keringésével és bolygónk forgásával.

A Föld az óramutató járásával ellentétes, direkt irányú forgással rendelkezik, a teljes

fordulatot 23,934 óra alatt teszi meg, forgási sebessége, vt = 465,11 m/s. (A forgási sebesség és a

forgási idı szorzata megadja az egyenlítı kerületét: 40 075,02 km, egyenlítıi sugara r = 6378,137

km) A Föld saját tengelye körüli forgás következménye a nappalok és az éjszakák váltakozása. A

Nap keletrıl nyugati irányba vonul az égen, mozgásának sebessége a szögsebességgel

jellemezhetı (ω = vt/r ). Ha napkelténél a tükör tengelye párhuzamosan áll a nap sugaraival és

szögsebességgel forgatni kezdjük az optikai középpontja körül a Nap járásával megegyezı

27

irányban, akkor a tükör és a Nap folyamatosan együtt halad, vagyis horizontális síkú mozgásuk

összehangolt.

A Föld ellipszis alakú pályán kering, kb. egy év alatt (365 nap és 6 óra) járja be a

földpályát. Tavaszponttól ıszpontig tartó útját az éggömb északi felén a többit a déli felén teszi

meg, az Egyenlítıt pedig évente kétszer metszi. Évi mozgása közben állandóan változik a Nap

deklinációja azaz elhajlása (deklináció az Egyenlítıtıl mért szögtávolság). Március 21-dikén

deklinációja 0°, tavaszpontban van, ez a tavaszi napéjegyenlıség. Ezután a Nap folyamatosan az

északi pólus irányába vándorol, deklinációja növekszik végül a Ráktérítı felett delel a zenitben,

deklinációja + 23,5°, ez a nyári napforduló (június 22.). A Nap ezután visszaindul az Egyenlítı

felé, deklinációja csökken, szeptember 23-dikán, az ıszi napéjegyenlıségkor éri el deklinációja a

0°-ot. Az év másik felében a Nap a déli félgömb felett jár, deklinációjának abszolútértéke

14. ábra. Nappálya (FORRÁS: HTTP://WWW.FREEWEB.HU/HMIKA/LEXIKON/HTML/TAVAPONT.HTM)

28

növekszik és december 22-én éri el a déli félgömbön maximumát, deklinációja -23,5°. A

napkövetı rendszereknek ezért

nem csak a Nap horizontális vonulását, hanem a vertikális irányú mozgásának változásait is

követnie kell a Napnak. Nem lehetséges tehát egy statikus vonulási ívet megszerkeszteni, melyet

követve szögsebességgel forgatjuk a tükröket, hiszen a Nap járási magassága napról napra

változik. Olyan rendszer kell, ami ezeket naponta korrigálni képes.

3.3. Parabola tükrös fókuszáló berendezés kivitelezése

A következıkben egy saját építéső fókuszáló rendszert fogok bemutatni, mely

létrehozásakor a technikai kivitelezésen túl, a költséghatékonyság és a nagy teljesítmény, végsı

soron magas hımérséklető munkaközeg elıállítása volt a cél.

3.3.1. A kísérleti berendezés mőködési elve

A tervezéskor a fókuszálási módok közül a parabola tányérra esett a választás, ezt

leginkább az indokolta, hogy könnyen beszerezhetı. Megfelelı mérető homorú gömbtükör nem

állt rendelkezésre, és a parabolához hasonló átmérıjő félgömb tükrözı felülete ,technológia

hiányában ( pl.: krómozás ), nem volt számomra megoldható. A forgalomban lévı parabola

tányérok íve megfelelı ahhoz, hogy kis síktükrökkel mozaikszerően befedhetı legyen. A tányér

homorú felülete így kis üvegtükör négyzetekkel van burkolva, ezek jó közelítéssel követik a

parabolacsúcson átmenı tengelyő forgástest felületét. Az így létrehozott tükörfelület a parabola

fókuszpontjába veri vissza a forgástengellyel párhuzamosan érkezı napsugarakat. A síktükrök

használatával a visszavert sugarak nem tökéletesen egy pontba győlnek össze (szabályos

háromszög folt), ennek ellenére a gyakorlati alkalmazás során megfelelı minıségőnek tőnı

fókuszálást lehet elérni (~1 m2 tükörfelület mellett ~0,023 m2 felületre vetülnek a sugarak). A

gyújtópontba helyezett kollektor biztosítja az elnyelést. Ez egy vörösréz csıkígyó (a vörösréz jó

hıvezetı), amely egy archimédeszi spirálból és egy hengerspirálból áll. Az összegyőjtött

napsugarak az egy síkban feltekert (archimédeszi) spirál felszínén nyelıdnek el. Az elnyelt

napenergia hıenergiává konvertálódik és átadódik a csıben keringı munkaközegnek. A

munkaközeg egy hıközlı olaj, amely keringtetve halad a csıvezetékben. A kollektort elhagyva a

felmelegedett olaj egy hıcserélıbe jut, amelyben leadja hıenergiájának egy jelentıs részét. Az

29

így nyert hıenergia alkalmazása sokrétő lehet; felhasználható pl.: gızturbina, Stirling-motor,

abszorbcióshőtı meghajtására, hıszivattyúk ellátására, légkondicionálásra.

3.3.2. Mőszaki paraméterek

140 mm

15. ábra. Parabolatükör és kollektor szerkezeti rajza (RAJZOLTA: MILUS ISTVÁN)

16. ábra. Parabolatükör és kollektor képei

30

Parabola tükör:

1 mm vastagságú festett fekete nyomott parabola forgástest Ø: 1140 mm

557 db 40*40*3 mm foncsorozott síktükör

UV álló színtelen szilikongumi ragasztóval rögzítve

merevítés és váz:

20*40 mm horganyzott zártszelvény

3 db Ø: 8 mm hatlapfejő csavarral rögzítve a parabolához

900*20*40 mm zártszelvény kollektort tartókar

inox 0,8 mm lemez kollektor rögzítı U profil

Kollektor:

max Ø: 100 mm archimédeszi bordás spirál vörösréz csı Ø: 6/4 mm, menetszám: 7

max Ø: 80 mm hengerspirál vörösrézcsı Ø: 6/4 mm, menet szám: 9

teljes hossz: 3900 mm

felületi bevonat: Jøtul laack matt fekete hıálló festék (max. hıállóság: 800 °C)

160mm*15394mm2 inox 0,8 mm lemez kollektor henger burkolat (külsı)

130mm*7854 mm2 inox 0,8 mm lemez kollektor henger burkolat (belsı)

burkolat szigetelés: 20 mm rockwool hidrofób kızetgyapot

5mm vastag r=70 mm Jøtul hıálló edzett kerámiaüveg

250 °C-ig hıstabil szilikongumi tömítı

Vezeték:

vörösréz csı Ø: 6/4 mm, hossz: 2200 mm

sárgaréz roppantógyőrős csatlakozók Ø: 6 mm

2db T idom

2 db ½”/6mm szőkítı

200 °C-ig hıstabil szilikongumi csı Ø: 16/5 mm

20-12 mm csıbilincs

30 mm vastag thermolan üveggyapot csıhéj + alufólia

31

Keringtetés:

120 W 1500 RPM háromfázisú kisperemes (B14) elektromotor tengely Ø: 11 mm

Galtech 1 ISP P1 fogaskerék-pumpa Q = 1cm3/min

3.3.3. Fı részegységek

A tervezett berendezés öt fı részegységbıl áll: parabolatükör, kollektor, keringtetı pumpa,

rendszerfelügyeleti eszközök, forgatómechanika és vázszerkezet. A részegységeket a váz

szerkezet fogja össze, ehhez kapcsolható a napkövetést biztosító forgatómechanika.

3.3.3.2. Parabolatükör

A tükör felületet 557 darab, egyenként 1600 mm2 területő foncsorozott üveg síktükör

képezi. A tükör négyzetek mozaikosan a parabola forgástest homorú oldalára szilikongumi

32

ragasztóval vannak rögzítve. Az így kapott „homorú tükör” valójában síktükrök egy pontba célzó

és egyszerre mozgatható együttese, amelynek tartó váza az acéllemezbıl préselt parabolatányér.

A tányérra ragasztott tükrök területe összesen 0,8912 m2, ez azonban a parabola íve miatt nem

ezzel azonos felületre esı napsugárzás befogására alkalmas. A parabola forgástest tengelyével

párhuzamosan érkezı sugarak energiája a forgástest sugarú körfelületre vonatkoztatható, vagyis r

sugár esetén a beesı napsugarak teljesítménye P/A*π*r2 , ahol P/A a napsugárzás egységnyi

területre esı teljesítménye (Wh/m2).

3.3.3.2. Kollektor

A kollektor két réz spirálból áll, az elsı egy síkban feltekert archimédeszi spirál. Itt

nyelıdnek el a fókuszált sugarak. A csıspirál tükör felé esı felületén a csıhátra anyagában

hegesztett réz lemez kapcsolódik, amely bordaként fut végig a spirál vonalában. A lemez

kitekerve egy elnyújtott trapéz, mely a csıspirált követve egy szabálytalan kúpot hoz létre, ahol a

kúp csúcsa a spirál középpontjával egy egyenesre illeszkedik. A kollektor felületét elérı sugarak

beesési szöge eltérı, a tükör perifériájáról visszavertek nagyobb beesési szöggel, míg a tükör

csúcsához közelebb visszavertek egyre kisebb beesési szöggel érkeznek.

17. ábra. A kollektor alkatrészei szigetelés és festés nélkül

33

A beesési szög növekedésével a kollektor felületérıl egyre nagyobb mértékben verıdnek

vissza a sugarak, ezért a tükör széle felöl érkezı összetartó sugarakat a trapézlemez nyeli el. A

spirálba feltekert lemez szabálytalan kúp formát eredményez, emelkedése illeszkedik a parabola

ívéhez, amivel elkerülhetı a lemezbordák kölcsönös kiárnyékolása. A kollektor második spirálja

egy henger spirál, amely a kollektor burkolatában csapdázott hısugarak elnyelését hivatott

ellátni. Ezen keresztül éri el a keringı munkaközeg az elsı spirált, amelynek vesztesége (a

tükörrel ellentétes irányba nézı oldala által kisugárzott hı) elıfőti a hengerspirálban áramló olajt.

A kollektorba a munkaközeg a visszatérı vezetéken keresztül érkezik, áthalad a hengerspirálon,

majd a bordás spirálon keresztül az elıremenı vezetéken távozik és halad a hıcserélı felé. A

kollektor konvekciós és kisugárzási veszteségeit a burkolat csökkenti, amely egy dupla falú egyik

végén mindkét végén zárt rozsdamentes acéllemez henger. A henger falai közt nagy testsőrőségő

kızetgyapot szigeteléssel van megtöltve, így a falak közt létrejövı légmozgás gátolt. A

rozsdamentes burkolat kollektor felé esı falai hıtükörként funkcionálnak, melyek a kisugárzást

csökkentik. A belsı fal külsı felülete matt fekete hıálló festékkel bevont, hogy a felmelegedı

szigetelés ilyen irányú kisugárzását elnyeljék. A kollektort a tükör felöl hıálló sík kerámiaüveg

lap fedi, mely a fókuszált sugarakat beereszti, de a konvekciót csökkenti. A kollektor ház

ellentétes vége zárt és kızetgyapottal szigetelt, ezeket áttörve két furaton jut be és hagyja el a

burkolatot a rézcsıvezeték.

3.3.3.3. Keringtetı pumpa

A munkaközeg keringtetését fogaskerék pumpa végzi, melynek erıforrása egy 120 W

teljesítményő 1400 RPM fordulatszámú háromfázisú kisperemes elektromos motor. A motor és

pumpa kapcsolódását egy áttételnélküli gumibetétes tengelykapcsoló biztosítja, a pumpa és a

motor tengelyét a tengelykapcsoló ház rögzíti közös forgástengely mentén. A tengelykapcsoló

ház a motor peremén csavarokkal, a pumpa pedig (szintén csavarokkal) a házhoz van rögzítve. A

motor, a tengelykapcsoló és a pumpa így egy egységet képezve a motoron keresztül van a

parabola tükör hátoldalán rögzítve. A fogaskerékpumpa használatát a magas hımérséklet

indokolta, mivel az ilyen pumpák esetén a folyadékszállítás a kapcsolódó fém fogaskerekek közt

történik meg és az áthaladó forró olaj nem tesz kárt a szerkezetben (pl.: a membrános pumpák

gumi vagy mőanyag membránja nem hıálló). A pumpa szívócsonkján érkezik be az olaj,majd a

fogaskerekek közt átpréselve a nyomócsonkon távozik. A nyomócsonkhoz kapcsolódó

34

csıvezetéknél fontos kritérium (zárt vagy nyílt keringtetés mellett egyaránt), hogy a keletkezı

nagy nyomásnak (maximális nyomás 320 bar) ellenálló legyen mind a vezeték, mind pedig a

csatlakoztatás. A nyomócsonkhoz csatlakoztatott réz csıvezetéket (kollektor visszatérı vezetéke)

sárgaréz roppantógyőrős hollandi rögzíti, mely önmagában záró, egyéb tömítést nem igényel. A

szívócsonkhoz vastag falú, 180 °C-ig hıstabil szilikongumi csövön érkezik az olaj, amely a

rugalmas kapcsolódást biztosítja a tükörhöz képest statikus hıcserélıvel. A keringtetés lehet nyílt

vagy zárt rendszerő is. Zárt rendszer esetén a hımérséklet emelkedésbıl fakadó

térfogatnövekedés elhanyagolható, a hıközlıolaj alacsony gıznyomású munkaközeg.

3.3.3.4. Rendszerfelügyeleti eszközök

Ezen eszközök figyelik és mérik a munkaközeg hımérsékletét és szükség szerint (pl.:

túlmelegedés) leállítják a napkövetést, illetve ki- és bekapcsolhatják a keringtetést. Az érzékelık

az elıremenı és a visszatérı vezetékben vannak elhelyezve a kollektorhoz közel. A hımérséklet

emelkedésével a huzalos platina hımérséklet érzékelı ellenállása változik, ami a hozzá kapcsolt

elektromos hımérıben feszültségváltozást eredményez. A feszültség ingadozásokat egy több

csatornás USB-adat rekorder rögzítheti a számítógépen. A tervezett számítógépes vezérlés

18. ábra. Elektromotor és a fogaskerékpumpa tengelykapcsolóval

35

túlmelegedés esetén elforgatja a parabolát (kapcsolja a forgatómechanikát), az olaj lehőlésekor

(direkt sugárzás hiányában) leállítja a szivattyút.

3.3.3.5. Forgató mechanika és vázszerkezet

A vázszerkezet merevíti ki és fogja össze a részegységeket. A parabolatükör merevítéséért

a hátoldalára szerelt T zártszelvény váz felel, ez csavarokkal rögzül a lemeztányérhoz. A T szára

egy pontban meghajtott, így követi a parabola domború ívét, alján csavarral rögzül a

kollektortartó kar. A kar a tükör fókuszpontjában tartja a kollektort, amely a külsı burkolatára

ponthegesztett szárnyakkal kapcsolódik a karhoz. Ez változtatható helyzető, így a fókusz pont +/-

50 mm-es intervallumban állítható a parabola forgástest tengelye mentén. A T zártszelvényhez

kapcsolódik a parabola hátoldalán a motor és a pumpa, melyek felfüggesztése egy hajlított lemez

bilinccsel van megoldva (így ez is állítható szükség szerint). A tervezett forgatómechanika a T

zártszelvény szárhoz kapcsolható két pontban. A forgatómechanikának horizontális és vertikális

irányú mozgatást kell végeznie, így a Nap vonulása követhetı lesz. A parabola horizontális

elfordításáért a tervek szerint egy léptetımotor felel majd, mely a Föld forgásának

szögsebességével mozgatja a tükröt, így folyamatosan a Nap irányába néz. A Vertikális irányú

mozgásért egy másik léptetı motor felel majd, amely vagy egy elıre megszerkesztett nappálya

19. ábra. Huzalos platinahımérséklet érzékelı (FORRÁS:

HTTP://WWW1.CONRAD.HU/PIC.PHP?PID=VKD0U1DRMHDOVFPOTTJ4UFPXDEZPUT09&IMAGE=1)

36

alapján korrigálja a tükör dılését, vagy fényérzékelık segítségével keresi meg a legoptimálisabb

beesési szöget. A forgatómechanika kivitelezése még folyamatban van, a megfelelı helyzet

beállítása jelenleg manuálisan történik.

3.4. Mérés leírás és költségkalkuláció

A kivitelezés és összeszerelés során végzett mérések nem teljesek, egyenlıre sajnos csak

kevés adat áll rendelkezésre. A berendezés tesztelését megnehezítette, hogy nem állt

rendelkezésre megfelelı hımérséklet érzékelı, illetve az anyagi lehetıségek nem tették

elérhetıvé beszerzésüket. Ezért is döntöttünk úgy, hogy saját hımérséklet érzékelıket készítünk.

(Itt kell megemlítenem, hogy a fókuszálási kísérletemhez kapcsolódik egy másik kísérlet, melyet

Kiss Péter szakdolgozó társam végzett. Ez a kísérlet egy abszorbciós hőtı alternatív meghajtását

vizsgálja, melyre az elızetes tervek szerint a fent leírt fókuszáló napkollektor is alkalmas lehet. A

berendezés létrehozásakor mind a lehetséges, mind pedig a konkrét felhasználási célokat is

figyelembe kellett venni, ezért a tervezés és kivitelezés több ponton is közös munka eredménye.)

A teszt mérések célja a mőködıképesség és a megfelelı mőszaki méretezés megállapítása volt. A

technológiai hatékonyság pontos megállapítása egyenlıre várat magára, köszönhetıen az

idıjárási körülményeknek (napsütés hiányában) nem sikerült megfelelı mennyiségő adatot

győjteni, ezért a tesztelés során reflektorok segítségével végeztük a méréseket.

3.4.1 Technológiai hatékonyság

Közelítı mérések:

1. A parabola fókuszpont-területének megállapítása

Helye, ideje: Solymár, 2008. 07. 12.

Mérés célja: a parabolatükör fókuszpont-területének megállapítása.

Mérés menete: a parabolatükröt a direkt napsugárzással szembe állítjuk be, majd egy A5-ös

papírlapot helyezünk az összegyőjtött fénysugarak útjába. A papíron láthatóvá válik a fókuszpont

erıs fény formájában.

Eredmény: R = 56 cm sugarú körfelületrıl (A = 0,985 m2) r = 7,5 cm sugarú körfelületre

(gyakorlatba a sík tükrök okozta eltérés miatt ez egy szabálytalan folt, amit a számítási

37

egyszerősítés miatt körnek veszek) fókuszálódnak a napsugarak. A papír erıs napsütés mellett

kb. 5 másodperc alatt meggyullad, ha a legnagyobb energiasőrőségő pontban tartjuk, melynek

síkját a papíron megjelenı legkisebb felülető fényfolt jelez.

2. Papír gyújtópont kísérlet

Helye, ideje: Solymár, 2008. 07. 12.

Mérés célja: Ismert tömegő papír meggyulladási idejének meghatározása

Mőszerek: higanyos hımérı

Mérés menete: 0,023 m2 , 80g/ m2-es papírlapnak megfelelı tömegő papírtömböt helyezünk a

gyújtópontba, melynek ismerjük a kezdeti hımérsékletét (t1), majd megmérjük a gyulladáspont

eléréséhez szükséges idıt.

Eredmény: 3 másodperc alatt meggyullad a papírtömb, ez alapján az m = 1,84g tömegő papír

meggyújtásához m*c*(t2-t1) energia szükséges, ahol c = 2,805 kJ/kg°C a papír fajhıje, t2 = 250

°C a papír gyulladáspontja. Azaz 0,00184 kg*2,805 kJ/kg°C*(250°C -25°C)= 1,16127 kJ, ami

megfelel 0,3225 Wh-nak. 1,16 kJ/3 sec = 0,3866 kW

Tehát a kisugárzási, visszaverıdési és konvekciós veszteségeken túl nem egész 387 W

teljesítmény adott le a tükör a papírtömbnek. A kapott eredmény azonban nem pontos, csak

irányadó, mivel a papír gyulladásakor maga is hıt termel, ezért a teljes tömb elégéséhez

szükséges energiát a nap és az égés által felszabadított energia fedezi együttesen.

3. A pumpa szállítási sebességének mérése

Helye, ideje: Budapest, ELTE Atomfizikai tanszék labor, 2008.10.12.

Mérés célja: a keringtetı pumpa szállítási sebességének megmérése

Mőszerek, eszközök: keringtetı pumpa, olaj, 2 db 1,5 dm3-es mérıedény

Mérés menete: A pumpa szívócsonkját az olajjal telt edénybe helyeztük úgy, hogy az 1 dm3 olaj

térfogatot képes legyen felszívni, a nyomócsonkhoz pedig a másik mérıedényt helyeztük el, majd

a pumpa üzemeltetése mellett megmértük, hogy mennyi idı alatt áramoltatja át az ismert tömegő

38

olaj teljes térfogatát a pumpa. A pumpát elızıleg feltöltöttük olajjal, így csak a nettó olajmozgást

vizsgáltuk.

Eredmény: 1,5 dm3/min szállítási sebesség, azaz 1500 RPM fordulatszám mellett ez

fordulatonként 1 cm3 térfogatáramot jelent.

Szimulációs mérések:

(melyek a rendszer mőködıképességének vizsgálatára irányultak laborkörülmények között)

4. A kollektor részegység hıátadásának mérése reflektoros megvilágításnál

Helye, ideje: Budapest, ELTE Atomfizikai tanszék labor, 2008.11.05.

Mérés célja: napfény hiányában napkollektor hıátadásának mérése reflektoros megvilágítás

mellett.

Mőszerek, eszközök: 1000 W-os reflektor, digitális hımérı

mely a fókuszált napsugárzást helyettesíti, majd ismert V térfogatú hıközlıolajat keringtetünk át

rajta. A vezetékek nincsenek szigetelve.

20. ábra. Reflektoros mérés

39

1.Eredmény:

idı (min) hımérséklet

(°C)

0 75

0,5 79,5

1 83,5

1,5 86

2 89

2,5 92,5

3 95

3,5 98

4 100,5

4,5 103

idı (min) hımérséklet

(°C)

5 106

5,5 108

6 110

6,5 112,5

7 114

7,5 116

8 118

8,5 120

9 121,5

9,5 123

10 124

A rendszer elımelegítése miatt a mérést Tkiindulási = 75°C kezdıhımérséklettel indítottuk. Az olaj

legmagasabb hımérséklete T maximum = 124°C.

c = 2,6 kJ/kg°C , hıközlıolaj átlagos fajhıje 15 és 200 °C között

ρ = 0,89 g/cm3, hıközlıolaj átlagos sőrősége 15 és 200 °C között

V = 0,2 dm3

Q = c*ρ*V*(T maximum - Tkiindulási) ahol Q az olaj felmelegítésére fordítódott energia

Q1 = 22,677 kJ = 6,299 Wh

40

2. Eredmény:

A vezetékek alufóliás-üveggyapotos szigetelését követıen.

idı (min) hımérséklet

(°C)

0 44

2 51

4 54

6 59

8 64

10 69

12 72

14 76

16 80

18 83

20 86

22 89

24 92

26 94

28 96

30 99

idı (min) hımérséklet

(°C)

33 105

34 106

36 108

38 110

40 111

42 112

44 114

46 115

48 116

50 117

52 118

54 119

56 120

58 121

60 121,5

62 122

64 123

idı (min) hımérséklet

(°C)

66 124

69 125

70 126

72 126

74 127

78 128

82 129

86 131

90 133

94 135

98 137

102 138

106 140

110 141

114 142

118 143

120 143

V = 0,5 dm3

Q = c*ρ*V*( T maximum - Tkiindulási) alapján

Q2 = 114,543 kJ = 31,8175 Wh

41

5. Hatásfok:

A besugárzásra használt energia Eö = 1000 Wh.

Az olaj hımérséklet emelkedésére fordítódott energia Q = 31, 8175 Wh.

Eö - Q = E veszteség

E veszteség az az energia mennyiség, mely a felhasználási cél szempontjából haszontalan, azaz nem

az olaj melegítésére fordítódik, tehát veszteség. Az energiaveszteség a következı összetevıkre

bontható:

Eö – E kisugárzott – E konvekciós – E elsugárzott = Q

E kisugárzott , az az energia, amit a reflektorok nem a kollektor irányába adnak le (reflektorház

hısugárzása), és a melegedı kollektor kisugároz (a környezetüknél melegebb testek kisugárzása).

A hımérsékletváltozás idı függvényében csökkenı tendenciát mutat, ennek oka, hogy az egyre

magasabb hımérséklető test és a változatlan környezeti hımérséklet hımérsékletkülönbsége

egyre nı, a testek által az alacsonyabb hımérséklető környezet felé leadott hısugárzás

mennyisége a test abszolút hımérsékletének negyedik hatványával arányos (Stefan–Boltzmann

féle sugárzási törvény).

E konvekciós , az az energia, amit a reflektor, kollektor burkolat, és a csıvezetékek körül beinduló

légáramlások elvonnak a rendszertıl, azaz hőtik azt.

E elsugárzott , az az energia, amit a reflektorok elsugároznak a kollektor mellett, ezzel analóg

jelenség a parabolatükör tökéletlen fókuszálásából fakadó nem pontszerő fókuszálás. A

reflektorok esetén a kollektor irányába sugárzó felület 18 cm*20 cm = 360 cm2. A kollektor

besugárzott felülete r = 5 cm sugarú kör, azaz 78,53 cm2, ami 78,53/360*100 = 21,81 %-ának

felel meg a reflektor kollektor felé sugárzó felületének, tehát csak 21,81 % hasznosulhat

potenciálisan a reflektor megvilágításából a kollektorban.

Az olaj melegítésének hatásfoka a következıképpen fejezhetı ki:

η * Eö = Q , ahol η a hatásfoki együttható

42

A veszteségek faktorokkal számolhatóak, így η = 1-V1-V2-V3-…stb. ahol V a veszteségi faktor

Jelen mérésnél a legszembetőnıbb veszteség a reflektor elsugárzásából fakad, így

Eö*0,218 ≈ 218 Wh

Tehát potenciálisan 218 Wh energia tud az olaj melegítésére fordítódni, és ha eltekintünk a fent

felsorolt többi veszteségtıl, mely pl.: a reflektor hıleadásából fakad, akkor

31,8175/218*100 = 14,59 %-os hatásfokkal mőködik a kollektor.

(Megjegyzés: nagyságrendileg hasonlóan rossz geometriájú fókuszálás várható a síktükrökbıl

fakadóan, tehát a valóban homorú tükrök használata lényegi hatásfok-növekedést eredményezhet)

3.4.2. Kivitelezési költségek

A hatékony mőködés mellett fontos volt, hogy minél olcsóbban lehessen kivitelezni a

rendszert ugyanis a megújuló energiaforrások terjedését mai napig bekerülési áruk határozza

meg, hiszen az energiaforrás ingyen van. A sajátkészítéső fókuszáló parabola megépítésénél az

alkatrészeket és felhasznált anyagokat beszerzés szerint három csoportba lehet sorolni: vásárolt

anyagok, hulladék és szponzori támogatásból származóak.

forrás megnevezés bruttóár (Ft)

parabolatányér és merevítıváz ~ 8000-

fogaskerékpumpa ~ 38000-

síktükrök ~ 1500-

hulladék anyagok

hıálló üveglap ~1500-

elektromotor(1db) 1300-

csatakozók 8000-

szilikon csı (2fm) 4000-

vásárolt anyagok

elektronikai építıanyagok 3000-

43

festékek ~2500-

tömítıanyagok ~1000-

szigetelıanyagok ~3000-

tengelykapcsoló ~7000-

rozsdamentes burkolat ~4000-

szponzori felajánlások

rézcsı (5fm) ~3500-

összesen ~86300-

A fenti adatok természetesen csak irányadóak és csupán viszonyítási alapnak közlöm ıket.

A költségek nem tartalmazzák a munkadíjakat (pl.:üveges munkák, lakatos munkák stb.), továbbá

nem tartalmazza a tervezett forgatómechanikát. A napkövetı rendszerrel a berendezés várható

végleges költsége kb.: 120-140000 Ft körül lesz, ami nagyságrendileg hasonló árfekvéső a

forgalomban lévı más napkollektoros rendszerekkel.

3.5. A Fókuszáló rendszerek felhasználási lehetıségei

3.5.1. Abszorbciós hőtés

A fókuszált napenergia egyik lehetséges felhasználása az abszorbciós hőtıgép. Az

általunk épített fókuszáló rendszer a kollektorral együtt alkalmas arra, hogy egy ilyen hőtı

melegpontját melegítse. Ezért egy abszorbciós hőtıhöz kapcsoltuk a fentebb leírt napenergia

átalakító rendszert. Munkánk ezen részét Kiss Péter szakdolgozatában fejtette ki, itt csak röviden

összefoglalom az abszorbciós hőtés alapjait. A felhasználható esetben a napkollektor hıátadó

közege 230 °C-nál magasabb kell legyen. Az általunk elıállított berendezésben végül is csak 143

°C-ra emelkedett fel az olaj, és hőtési felhasználást nem sikerült elérni. Ennek oka a

szigetelésekben és a csıvezetékek paramétereiben keresendı elsı sorban.

Az abszorbciós hőtıgépek nem terjedtek el a mindennapokban, de már a múlt század eleje

óta ismerjük ıket. A kis népszerőségének oka az, hogy lassan indul be, és a benne keringı

ammónium káros, valamint több áramot fogyaszt, mint a kompressziós. Elınye azonban, hogy

nem zajos, és napjainkban a napenergia egyik felhasználási lehetıségét nyújtja. A technikai

44

fejlıdés a kevésbé piacképes abszorbciós hőtı esetén lassabb volt, így a lemaradás csak csökkent,

bár napjainkban a hőtıfolyadékként már nem ammóniát használnak. A hőtıben zajló folyamatok:

1. A hideg ammónia vizes oldatból melegítés útján kiőzzük az ammóniát melegítéssel, majd

egy másik ponton lecsapatjuk, kondenzáljuk.

2. A folyadékot egy fojtó szelepen át egy elpárologtatóba juttatjuk, ahol elveszi a hıt a

hőtıtértıl.

3. A folyadék a melegfelvétel következtében elpárolog.

Az elpárologtatóban keletkezett gız tartalmazza a hőtendı közegtıl elvont meleget,

amelyet a hőtıvíznek kell átadni. Hogy ez lehetséges legyen, az abszorbert fel kell melegíteni a

hőtıvíz hıfoka fölé. A felmelegítést - mint jeleztük, - nem kompresszióval, hanem úgy végezzük,

hogy az abszorbert oldatba visszük és az oldatot egy kazánba tápláljuk. Az abszorber gız tehát

elsısorban az oldó edénybe vezettetik, ahol ez a desztillátorból ide vezetett abszorberben szegény

oldattal találkozik, és gazdag oldatot képez. Az oldóban levı oldatot erısen hőteni kell, hogy az

oldásnál keletkezı meleg elvezetésével hidegebb, vagyis koncentráltabb (abszorberben

gazdagabb) oldatot kapjunk. A hőtést rendszerint hőtıvízzel végeztetjük. Az oldatnak a

desztillátorba való visszatáplálására külön szivattyú szolgál.

45

3.5.2. Naperımővek

A napteknı.

21. ábra A napteknı (http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/)

A napenergia nem koncentrált energia. Ha erımővet akarunk létrehozni teljesítményének

eléréséhez nagy területrıl kell begyőjteni a napsugárzás energiáját. Ez a fókuszálás egyik

legfontosabb felhasználása. Az ilyen berendezések kiterjedt építkezéseket, precíz technológiák

nagy tömegő megvalósítását jelenti. A napelemek kis hatásfoka és a szilícium drága

gyárthatósága miatt az erımővi napenergia-felhasználás a napsugarak energiáját leggyakrabban

elıször hıvé alakítja, de léteznek napelemes rendszerek is. Már maga az a tény is meglepı, hogy

léteznek naperımővek, de a tiszta levegıjő, leginkább napsütötte helyeken (például sivatagban)

ez gazdaságos lehet. Napelemekbıl álló legnagyobb mai erımő a Mülhausenben lévı 6,3 MW

maximális teljesítményő telep, amely évente 6,75 GWh energiát termel, ami 770 kW

átlagteljesítményt jelent. A termikus naperımővek elsı típusa a napteknı. Ez a napenergiát egy

hosszú vályúhoz hasonlító tükörrendszerrel fókuszálja, melynek keresztmetszete parabola alakú,

egy szelektív bevonatú, vákuumos csırendszerre, melyben a keringı folyadékot jelentısen fel

tudja melegíteni. Ez a rendszer egy hıtartályt melegít, amibıl az energiát többféle módon is ki

lehet venni. Egyszerő esetben gızgépet hajtanak meg, vagy Stirling-motort alkalmaznak.

46

A napkémény.

22. ábra A napkémény (http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/)

A napkémény energiaátalakítási képessége az üvegházhatáshoz hasonló hatáson alapul. Egy

több száz méter sugarú területen a felszín feletti néhány méter magas levegıt üvegfedéllel zárjuk

le. A felszín által kibocsátott hosszú hullámú elektromágneses sugárzást ez visszaveri, de a

fentrıl jövı napsugarakat átengedi. A fedél alatti levegı jelentısen felmelegszik és kitágul, ezért

a középen lévı kéménybe áramlik, és ott a nagy területrıl összegyőlt meleg levegı gyorsan

áramlik felfelé - ez lényegében mesterséges szél. A kéménybe hagyományos szélturbinákat

helyezve, azok villamos energiát állítanak elı. Ausztráliában nemrégiben elfogadott projekt

szerint New South Wales-ben épül meg az elsı ilyen kémény, amely több mint 1000 méter

magasságával az ember által épített legmagasabb épület lehet. A projekt elıkészítéseként egy 50

kW-os napkémény üzemelt (1982- 1989-ig) a spanyol Manzanaresben.

A napfarm.

A napfarm egy torony tetejére helyezett hıerımő, amit nem elégetett fosszilis

üzemagyaggal főtenek, hanem odafókuszált napenergiával. A kaliforniai Barstow-ban 1999-ben

fejezték be a Sun II. projektet, amely egy 10 MW-os, energiaelnyelı folyadékként olvadt sót

felhasználó napfarm+torony kísérleti üzemeltetése volt. A projekt alapján tervezik a lakossági

energiatermelésre is használható jövıbeni erımőveket. A torony környezetében több száz méter

sugarú körben motorral állítható pozíciójú tükrök fókuszálják a napenergiát a torony tetején lévı

olvadt sóra. Ez is csak sivatagos területen mőködıképes gondolat, mert a tiszta, száraz levegı

nem nyeli el a 100 méterrıl tükrözött sugarakat.

47

A naperımővek még nem annyira elterjedtek, hogy a társadalmak energiaigényét fedezni

tudják, de megfelelı helyeken (sivatag) valóban használható megoldások mőködnek. Az

erımőveknek azonban még inkább a teszt üzemeirıl beszélhetünk a technológia jelen állásánál.

48

4. Szakdolgozat szakmódszertani fejezet

4.1. Környezeti nevelés

4.1.1. A környezeti nevelés célja

A környezettudatos magatartás nem más mint olyan magatartásforma, amely elısegíti a

környezetért felelıs életmódot. Tágabb értelemben a környezeti nevelés a bioszféra és az ember

megóvását, fenntartását célozza meg. Célkitőzései közé tartozik a természet, az épített, társadalmi

környezet, a hagyományok, szokások, tradíciók értelmi, érzelmi, esztétikai és erkölcsi

megalapozása.

A nevelés célja ebben az esetben a (gyermek vagy felnıtt korú) ember általános (és

különös) adottságainak együttes fejlesztése. Ennek megvalósítása rendszerszemlélető

megközelítést, új tanítási-tanulási stratégiákat igényel, elıtérbe helyezve a hatékony és személyre

irányuló pedagógiai módszereket.

A környezeti nevelés ugyanúgy kiterjed a természet rendszerszemlélető és a fenntarthatóság

szempontjait is magában foglaló tanulmányozására, mint az emberi együttélés, illetve az ember-

természet kapcsolat bemutatására, értelmezésére; amely kapcsolat nem a természet feletti uralmat

jelenti, hanem a felelısséget világunk épségének, szépségének megırzéséért.

A környezeti nevelés általánosan elterjedt mai értelmezésében ötvözıdik az ökológia és a

humánökológia, hiszen csak az ember biológiai és társas-társadalmi természetének sajátosságaira

építve formálható az értékrend és az erkölcs, alakíthatók az életviteli értékek. (VÁSÁRHELYI

TAMÁS ÉS VICTOR ANDRÁS, NEMZETI KÖRNYEZETI NEVELÉSI STRATÉGIA, 2003.)

4.1.2. A környezeti nevelés legfontosabb értéktartalmai

A legfontosabb értéktartalmak a fenntartható fejlıdéssel, a jövı nemzedékek életminıség

iránti jogaival, a bioszféra iránti felelısségünkkel kapcsolatosak, ezért ezek erkölcsi-etikai, de a

természettudományos alapismereteket nem nélkülözı szokásformáló jellegőek.

Egy életen át tartó, az összes korosztályt és társadalmi réteget érintı környezeti nevelés

jelentıségét és szükségességét nemzetközi megállapodások is rögzítik. Az ENSZ elsı környezeti

neveléssel foglalkozó dokumentumában, a következı célkitőzést fogalmazták meg:

49

,,A világ népei számára tudatosítani kell, hogy a környezeti gondok megoldása és az

újabbak megelızése megfelelı tudást, felkészültséget, készségeket, hozzáállást, indítékokat és

együttmőködési szándékokat igényel, amelyek biztosítása a környezeti nevelés feladata."

(Belgrádi Charta, 1975.)

Néhány évvel késıbb (Tbiliszi, 1978), a világ elsı környezeti nevelési kormányközi

konferenciáján egy nyilatkozatot fogadtak el, amely a környezeti nevelés három alapvetı

célelemét az alábbiakban foglalta össze:

• Növelni kell a környezeti tudatosságot és annak felismerését, hogy a gazdasági, a

társadalmi, a politikai és az ökológiai jelenségek kölcsönös függıségben és kölcsön-hatásban

vannak mind a városi, mind a falusi környezetben;

• biztosítani kell mindenki számára annak lehetıségét, hogy a környezet védelméhez és

megırzéséhez szükséges tudást, ismereteket, értékeket, attitődöket és készségeket a megfelelı

módon megszerezhesse;

• meg kell teremteni az egyének, a csoportok és az egész társadalom környezettel

kapcsolatos, új típusú magatartási és életviteli mintáit.

4.1.3. Törvényi keretek, megvalósulási formák

Alkotmány:

18. § „A Magyar Köztársaság elismeri és érvényesíti mindenki jogát az egészséges

környezethez.”

Környezetvédelmi Törvény (1995. évi LIII. törvény a környezet védelmének általános

szabályairól) 54.§ 1. cikkelye rögzíti, hogy ,,minden állampolgárnak joga van a környezeti

ismeretek megszerzésére és ismereteinek fejlesztésére".

A törvény a továbbiakban kifejti, hogy a környezeti nevelés mind az iskolarendszeren

belüli, mind azon kívüli formáiban elsısorban állami és önkormányzati feladat. A környezeti

nevelést meghatározó kormányzati dokumentumok között legfontosabb: a NAT, az Óvodai

Nevelés Országos Alapprogramja és a Nemzeti Környezetvédelmi Program (és annak részeként a

Nemzeti Környezet-egészségügyi Akció Program). Az intézményes keretek közötti környezeti

nevelés elsısorban az iskolákban folyik, beleértve az óvodát, az általános- és középiskolát, a

50

felsıoktatást, a speciális nevelést, az általános és a szakmai képzést. A környezeti nevelés

beépíthetı valamennyi tantárgyba, de megjelenhet önálló, alapozó vagy összegezı tantárgyként

is.

A környezeti nevelés minden pedagógus és valamennyi iskolatípus és tantárgy feladata

(hiszen minden ugyanarról a világról szól!), de a témákba, tantárgyakba, mőveltségi területekbe

foglalt környezeti elemeket egésszé kell építeni. Erre most lehetıség is kínálkozik, mert az

iskolarendszerő környezeti nevelés célját, tartalmát és követelményeit, a kívánatos hozzáállást és

értékeket tartalmazza a NAT mint az iskolai élet egészét átfogó nevelési terület, valamint több

mőveltségterület tananyaga, fejlesztési követelménye. Az iskolai élet mindennapjait teljesen

átszıheti a környezeti nevelés, amely a foglalkozásokon, a tanítási órákon kívül is érvényesülhet

mint a nevelıintézmény egészének ökológiai kultúrája (hulladék újrahasznosítás,

energiatakarékosság, biokertészet stb). A környezeti nevelést erısítik a helyi közösségi

természet- és környezetvédı akciók, programok, a környezetvédelem jeles napjainak

megünneplése ( Föld Napja (ápr. 22.), a Madarak és Fák Napja (májusban), a Környezetvédelmi

Világnap (jún. 5.) és Assisi Szent Ferencnek, a környezetvédık védıszentjének napja (okt. 4.))

(FORRÁS: NEMZETI KÖRNYEZETI NEVELÉSI STRATÉGIA, 1998, SZERKESZTETTE: VÁSÁRHELYI TAMÁS ÉS

VICTOR ANDRÁS)

Természetvédelmi törvény (1996. LIII.) 64 §:

„A természet védelmével kapcsolatos ismereteket valamennyi intézményben oktatni kell,

azok a Nemzeti Alaptanterv részét képezik.”

211/1997. (XI.26) Kormányrendelet:

A rendelet értelmében (5. §) a környezetvédelmi felügyelıségnek feladata közé tartozik

környezeti tudat- és szemléletformálás, valamint a környezetvédelmi kutatás, oktatás, nevelés és

ismeretterjesztés.

A nemzeti parkok igazgatóságai állami feladatként látják el a természetvédelmi bemutatók

szervezését, az ismeretterjesztı oktatást, nevelést valamint a tudományos kutatást (6. §)

20031/1998 (II.13.) Kormányhatározat – Nemzeti Környezetvédelmi Program

51

„…Magyarországon még nem megfelelı szintő a környezeti tudatosság. A lakosság

ismeretei a környezetrıl, a környezet védelmérıl, megóvásáról hiányosak és többnyire nem

megfelelı színvonalúak.”

Együttmőködési megállapodás az Oktatási Minisztérium és a Környezetvédelmi

Minisztérium között (1999-2002) .A megállapodás lényege, hogy együttmőködést írt alá a két

tárca a környezeti nevelésrıl, oktatásról, képzésrıl és fejlesztésrıl. Ez vonatkozik például az

egyes környezeti nevelési területek céljára, koncepciójára, a megvalósításhoz szükséges

tankönyvek és oktatási segédanyagok, módszertani útmutatók kidolgozására.

1993. évi LXXIX. Törvény a közoktatásról – többször (elsısorban az 1995. évi LXXXV.

Törvénnyel, az 1995. évi CXXI. Törvénnyel, az 1996. évi LXII. Törvénnyel és az 1999. évi

LXVIII. Törvénnyel) módosítva:

10. § (1): „A gyermekek, a tanulónak joga, hogy nevelési, illetıleg nevelési-oktatási

intézményben, biztonságban és egészséges környezetben neveljék és oktassák, (…) iskolai

tanulmányi rendjét pihenıidı, szabadidı, testmozgás beépítésével, sportolási, étkezési lehetıség

biztosításával életkorának megfelelıen alakítsák ki.”

39. § (1): „A nevelési-oktatási intézmények szakmai tekintetben önállóak. (…)”

2003. évi törvénymódosítás értelmében:

48.§ (3): „Az iskola nevelési programjának részeként el kell készíteni az iskola

egészségnevelési és környezeti nevelési programját.”

11/1994 (VI.8) MKM rendelet a nevelési-oktatási intézmények mőködésérıl, (az

1/1998/VII.24./ OM rendelettel módosítva)

6/B.§ (1): „A szabadidı-szervezı segíti az iskola pedagógusainak és tanulók szabadidı-

szervezéssel, közösségi élet kialakításával összefüggı munkáját. A szabadidı-szervezı feladata

különösen:

a) az iskola pedagógiai programjához kapcsolódó tanórán kívüli foglalkozások, programok

elıkészítése, szervezése, a környezeti neveléssel összefüggı tevékenység segítése (erdei iskola,

tábor stb.);

52

f) az egészséges életmóddal (…) összefüggı szabadidıs tevékenységek

i) a hazai és a külföldi tanulmányi utak szervezésével kapcsolatos pályázati lehetıségek

figyelemmel kísérése, a pályázatok elkészítésében való közremőködés.”

A Nemzeti Alaptantervrıl szóló 130/1995. (X.26) és a 63/2000. (V.5) Kormányrendelet

Megtörtént a környezeti nevelés tudatos beépítse a nevelés-oktatás folyamatába. A

környezeti nevelés kereszttantervi jelleggel megjelenik minden tantárgy oktatásában. Fontos

elırelépés, hogy a mőveltségi területek közös követelményeként megfogalmazódott a környezeti

nevelés célja, tartalma, témakörei.

A kerettantervek kiadásáról, bevezetésérıl és alkalmazásáról szóló 28/2000. (IX.21.) OM

rendelete egyes oktatási jogszabályok módosításáról

A NAT-ra építve határozza meg a tantárgyi követelményeket, az egyes tantárgyak

ismeretanyagát, a belsı tevékenységi formákat, valamint a továbbhaladás feltételeit. A környezeti

nevelés tartalma és módszerei megjelennek az egyes tantárgyak közös céljaiban, valamint a

tanított tananyag tartalmában. A Kerettanterv az interaktív, tevékenykedtetı, készség- és

képességfejlesztı pedagógiai módszerek alkalmazását hangsúlyozza a nevelés-oktatás

folyamatában, így a környezeti nevelésben is.

4.2. A megújuló energiák a tanóra keretein belül

A jelen kor kiemelkedı problémája a fokozódó energiaszükséglet és a felhasznált

energiahordozókból származó üvegházhatású gázok és az egészségre ártalmas anyagok

kibocsátásának növekedés. Ezen problémák megoldásához mindenek elıtt szemléletváltásra van

szükség, mind a termelıi, mind pedig a fogyasztói oldalon. Akkor lehet igazán mély és lényegi

társadalmi változásokat elérni, ha ezt a szemléletváltást már fiatal korban el kezdjük, hogy a rossz

beidegzıdések, reflexek ki se alakulhassanak. Tehát mindenképpen jó alapot kell teremtenünk a

felnıttkori környezettudatos magatartás kialakításához már az iskolában. Ezért megkülönböztetett

szerepet kell kapnia a környezeti nevelésben és a természettudományos tárgyak oktatásában az

energetikával kapcsolatos ismeretanyag elsajátításának és a hozzá kapcsolódó gyakorlati

vonatkozásoknak, melyet a Kerettanterv is elıír. A megújuló energiaforrások az általános és

középiskolai szaktárgyi órák keretén belül leginkább a következı témáknál illeszthetıek be:

53

évfolyam tantárgy témakör környezettani tartalom

Kémia Környezeti kémia Energiagazdálkodás: Megújulók: -

tőzifa, nap-, szél-, víz-, geotermikus

energia

Nem megújulók (fosszilis

energiahordozók) – kıolaj, földgáz,

szén, Atomenergia

Elınyeik, hátrányaik, környezettani

hatásuk: szennyezések, környezet-

átalakítás, széndioxid-kibocsátás,

üvegházhatás

Földünk és

környezetünk

Magyarország

természet és

társadalom

földrajza

Természeti adottságaink és

erıforrásaink:

-fosszilis energiahordozók

bányászata

-uránbányászat

-nap-, szél-, geotermikus-,

vízienergia hasznosítási

lehetıségeink.

8.

Fizika Az elektromos

munka és az

elektromos

teljesítmény

Háztartási berendezések

teljesítménye és fogyasztása,

energiatakarékos életmód

54

évfolyam tantárgy témakör környezettani tartalom

Kémia kémiai reakciók a

részecskék

ismeretében

Galvánelemek: galvánelemek

környezeti vonatkozásai, az

akkumulátorok újratöltésének

fontossága és lehetısége

Elektrolízis: Az iparilag fontos

elektrolízis környezetszennyezı

hatásai (pl.: energiaigény,

mellékterméke)

Fizika A teljesítmény és

hatásfok

Fogyasztás és tudatos és ésszerő

energia felhasználás

9.

Földünk és

környezetünk

A geoszférák

földrajza

A kızetburok földrajza: A sugárzó

veszélyes hulladékok tárolása

A légkör földrajza: A szélerımővek

A vízburok földrajza: bányászat

hatása az ivóvízkészletre,

vízierımővek

A talaj földrajza: a talaj

eltartóképessége – biomassza

termelés

A földi szférák környezeti problémái:

éghajlatváltozás

55

évfolyam tantárgy témakör környezettani tartalom

A

természetföldrajzi

övezetesség hatása

a társadami-

gazdasági életre

A természetföldrajzi övezetesség

hatása a gazdasági életre: megújuló

erıforrások összefüggése az

övezetességgel

Fizika Hıtan Hımérık típusai, hıtágulás, globális

felmelegedés, sarki jég olvadás,

üvegházhatás

Szénhidrogén

készletünk mint

energiahordozó

Telített szénhidrogének: A földgáz

mint fosszilis energiahordozó,

gázerımő, kıolajipar és a kıolaj

felhasználás környezeti problémái,

kitermelés globális problémája,

társadalmi, gazdasági vonatkozások

Szerves

vegyületek a

kamrától a

laboratóriumig

Hidroxi vegyületek, éterek: az

alkoholok felhasználása, alkohol

mint üzemanyag

Kémia

Környezeti szerves

kémia

Energiagazdálkodás: fosszilis,

hasadó és megújuló energiaforrások,

elınyeik, hátrányaik

10.

Biológia A vírusok,

prokarióták és

egysejtő

eukarióták

Az elemek körforgásában szerepet

játszó baktériumok (szénkörforgás)

Mikrobiológiai fermentációk

56

évfolyam tantárgy témakör környezettani tartalom

A növények teste

és életmőködése

A növények szerepe a bioszférában:

oxigéntermelés, és széndioxid

megkötés – fatüzelés vonatkozása

Biodízel, alkohol hajtású motorok

Földünk és

környezetünk

A világ változó

társadalmi-

gazdasági képe

A gazdasági élet szerkezetének

átalakulása: a környezetbarát

technológiák alkalmazása

A termelés, fogyasztás és

kereskedelem kapcsolata: energia

mint árucikk

Elektromágneses

hullámok

A napsugárzás és energiatartalma

Hullámoptika A levegı és víz szerepe a fény

terjedésében

11. Fizika

A fény kettıs

természete

A napelem mint megújuló

energiaforrás

(FORRÁS: SCHRÓTH ÁGNES, KÖRNYEZETI NEVELÉS A KÖZÉPISKOLÁBAN, 2004)

A tanórák keretében a fenti témakörökben az új ismeretek és alapozó tudás megszerzését

követıen, jó alkalom nyílik a gyakorlati vonatkozások feltárására és megismertetésére a

diákokkal, amelyet a tanulók is gyakran igényelnek maguk is. A témakörökhöz kapcsolódó

cikkelemzésekkel, vitákkal, kísérletekkel, technikai jellegő mérésekkel pedig könnyen átültethetı

lexikális tudásuk a gyakorlatba, továbbá rávilágíthatunk a mindennapi, gazdasági, politikai

összefüggésekre. Az így színezett órák élvezhetıbbek lesznek a diákok számára, az önálló munka

és a gyakorlati alkalmazások megtörik a gyakori frontális szervezési forma egyhangúságát.

57

4.3. A napenergia tanítása gyakorlati módszerekkel a tanóra keretein belül

A megújuló energiák, és azon belül a napenergia, oktatására és szemléltetésére alapvetıen

két szintér nyílik a tanár számára: a tanóra keretei közt és tanórán kívül. Az elızı fejezetben

láthatóak azok a témakörök, anyagrészek, amelyekben a környezeti nevelés részeként, megfelelı

alkalom kínálkozik az említett téma tanórai oktatására. Ezek közül dolgozatom témája okán a 11.

évfolyam fizika tananyagában szereplı Elektromágneses hullámok címő témakört emelném ki.

Ebben a témakörben a diákok megismerkednek a földi életet meghatározó napsugárzás szaktárgyi

alapfogalmaival, azonban a természettudományos tárgyak elvont definícióit, jelenségeit, azokat

magyarázó és leíró törvényszerőségeit sokszor nehéz értelmezni, és gyakran illetik a „száraz

anyag” kifejezéssel. A diákság érdeklıdésének kialakítása és fenntartása, továbbá a tanultak

elmélyítése és gyakorlati alkalmazásba való átültetése céljából gyakorlati kísérletekkel,

látványos, könnyen kivitelezhetı és értelmezhetı szemléltetéssel szükséges a frontális tanórákat

kiegészíteni. Ennek legegyszerőbb módja, ha ezt a rendelkezésre álló kötelezı tanórai kereteken

belül teszi meg a tanár az alapozó elméleti órákat követıen. Célszerő ezeket az órákat csoportos

vagy páros szervezésben lebonyolítani, a kísérletek mellé feladatlapokat rendelve.

4.3.1. Gyakorlati kivitelezés

A következıekben egy lehetséges, gyakorlati tanórán, 45 perces idıtartamban elvégezhetı

saját kísérletet írok le, melyet 11 évfolyam fizikaórájára állítottam össze. Célja, hogy a diákok

megértsék és megtapasztalják a napenergia hasznosításának alapjait és gyakorlatban is egyszerő

módon modellezzék azt. A kísérletben különbözı albedójú testek felmelegedését hasonlítjuk

össze, majd a felmelegedett víz segítségével megmérik és kiszámolják a besugárzott energia

mennyiségét, továbbá a besugárzást módosító tényezıket szimulálják.

58

Napenergia mérése

Szükséges eszközök:

- papír dobozok (20*20*20 cm-es matt fekete, fényes fekete, fehér, alufóliázott, esetleg

egyéb színek)

- dobozonként egy higanyos hımérı

- üveg akvárium ( kb. 30-40 literes ) minimum 3 db

- mőanyag tálcák (az akváriumok alá)

- matt feketére festett lapos fém flaska

1. kísérlet: A színek szerepe a fényelnyelésben, az albedó szemléltetése

Mérés leírás:

A diákok csoportokban dolgoznak, minden csoport két-két dobozt kap (minden csoport eltérı

párosításban), amely alatt egy-egy hımérıt helyeznek el,majd kihelyezik a napra. A mérés

idıjárástól függıen 5-10 percig tartson, cél a dobozok felmelegítése a napon. (A mérés ideje alatt

a következı kísérlet megkezdhetı.) Az idı lejártával a diákok feljegyzik a feladatlapra a

hımérıkrıl leolvasott hımérsékleti adatokat. Majd levonják a következtetéseket az albedóról

tanultak alapján. Egyszerő számolással (százalékos eltérés a hımérsékletek közt) alátámasztják a

különbözı albedójú azonos mérető és formájú tárgyak fényelnyelési eltéréseit.

2. kísérlet: A napsugárzással a felszínt érı energia mennyiségének megmérése

Mérés leírás: A csoportok az elızı kísérlet felállítását követıen megkezdhetik ezt a kísérletet.

Lapos fekete flaskát csapvízzel töltik fel (szerencsés ha minden csoport azonos

hımérsékletővel),majd úgy helyezik el, hogy azok nagyobbik sík felülete a napsugarakra

merıleges álljanak. Megmérik a flaska vizének hımérsékletét (T1). Megkezdıdik a mérés, 20

perc elteltével újra megmérik a víz hımérsékletét (T2). A felmelegedett vizet utána kiöntik és

megmérik a térfogatát is. A térfogatból kiszámított tömeg, a két hımérséklet különbségébıl

59

kiszámítható hımérsékletkülönbségbıl, az ismert víz fajhıbıl kiszámolhatják a már tanult

összefüggések alapján ( Q= m*c(T2-T1), ahol c fajhı, m víz tömeg ) a víz által elnyelt energiát,

mely jó közelítéssel a beesı napsugárzás energiájával egyenlı. (A mérés pontosítható, ha a

kiürített flaskát az eredeti hidegebb vízzel feltöltjük majd árnyékban tartva 5 percig hagyjuk hogy

a meleg flaska átadja hıjét a víznek (edény hıtehetlenségének kizárása). Az elızıekhez

hasonlóan járunk el, majd a kapott energiamennyiséget az elızıvel összeadva a beesı

napsugárzás pontosabb teljes energiamennyiségét kapjuk. A második mérés üres ideje alatt az

elsı mérésben használt hımérık adatai leolvashatóak.

3. kísérlet: A páratartalom és a szennyezı anyagok hatása a direkt és szórt sugárzás megoszlására

Mérés leírása: Az akvárium alá a tálcára egy Petri-csészén elhelyeznek a csoportok egy-egy matt

fekete dobozt, amely egy hımérıt rejt maga alatt. Az egyik csoport kevés vizet önt a tálcába, a

másik egy füstölıt helyez el, a harmadik nem tesz semmit a doboz mellé az akvárium alá

(kontroll). A hımérık adatait 15 perc eltelte után leolvassák a diákok és feljegyzik. A csoportok

megosztják eredményeiket egymással, majd levonják a következtetéseket, hogy a napon képzıdı

párás, a füsttel telt vagy a tiszta üvegfelület alatt emelkedett magasabbra a hımérséklet, illetve

hogy ez hogyan befolyásolja a hasznosítható napenergia mennyiségét.

A három kísérlet részben párhuzamosan futatható, ezért a rendelkezésre álló 45 perc elegendı a

lebonyolításra, célszerő napos, jó idıben, az iskola udvarán végezni a kísérleteket.

4.3.2. A gyakorlati óra pedagógiai célja

A fent leírt és ismertetett gyakorlati óra célja kettıs: egy felöl olyan helyzetet teremt,

melyben az elméletben tanultakat, a tanulók a gyakorlatba helyezik át, ezáltal közelebb hozva a

valósághoz a tananyagot. Empirikusan, tapasztalati útón gyızıdhet meg a diák az elméleti

alapozás hasznáról, miközben saját ügyességét, problémamegoldó képességét fejleszti a kísérlet

kivitelezése során, vagy akár tehetségét, ötleteit is kamatoztathatja ott, ahol éppen az elıírt

60

tevékenység nagyobb szabadságot enged. Más felöl a gyakorlati órák alkalmával legtöbbször

csoport munkában dolgoznak a tanulók, ami fejlesztıen hat a társas érintkezésben. A

csoportmunka kollektív viselkedés, kisgyermekkortól jelen van (a késıbbi kísérletben részvevı)

diákok életében, és felnıtt korba is elkíséri ıket, legyen szó munkáról, családról,

életközösségekrıl stb. Igen fontos szerepet tölt be a kollektív tudat és az összetartozás érzésének

megteremtésében, a társadalmilag elfogadott társas viselkedés kialakításában. Kölcsönös

felelısség és függés jön létre a csoportban dolgozók között. Látható tehát, hogy a csoportmódszer

a nevelés terén nagy lehetıségeket rejt magában, többek között felhasználható

személyiségfejlesztésre és kompetencia javításra is. (BUGÁN ANTAL: A CSOPORTMÓDSZEREK

ALKALMAZÁSÁNAK ÁLTALÁNOS ELMÉLETI VONATKOZÁSAI, IN ISKOLAPSZICHOLÓGIA 8 .,

CSOPORTMÓDSZEREK AZ ISKOLÁBAN-KÍSÉRLETEK 7 -8.)A környezeti nevelésben a megfelelı

természettudományos ismeretek mellett elengedhetetlen a nyitott és másokra is felelıséggel

tekintı szociális viselkedés és kollektív környezettudat.

4.3.3. A gyakorlati óra módszertani feladatai

Az említett csoportmunka didaktikai szempontból programozott oktatás. Meghatározott logikai

menettel rendelkezik, úgy mint a kísérlet egymást követı lépései, az egymásra épülı feladatok

vagy a gyakorlathoz kapcsolódó feladatlap kitöltésének sorrendje, emellett viszont a csoportban

kialakuló vagy egymás közt felosztott feladatkörök személyre szabottá teszik az oktatást.

Ügyelnie kell a tanárnak arra, hogy a csoportos tevékenység valóban kollektív legyen, ne pedig

csoportban elvégzett egyéni jellegő munka. Kifejezetten nagy figyelmet kell szentelni a

passzivitás elkerülésére, ugyanis a csoporton belül az erre hajlamos diákok gyakorta megkísérlik

kivonni magukat a munkából. Ezért mindig úgy kell megszabni a csoport létszámot, hogy az csak

az összes tag bevonásával tudjon hatékonyan mőködni (pl.: az egyik tanuló mér, miközben a

másik kever és a harmadik pedig adatokat rögzít). Jó módszer és pedagógiailag is kívánatos ha a

diákok csoporton belül kénytelenek egymásra támaszkodni (pl.: egymás eredményeivel

számolnak). Ez erısíti az egymásra utaltságot, a társas függést és a közös felelısségtudatot is

egyben. A csoportos tevékenységeket azonban tanulni és tanítani kell a tanulóknak, fokozatosan

egyre szorosabb csoportos kötelékeket megkövetelı feladatokkal kell ellátni a diákokat. A leírt

kísérlet feltételez már egy fajta csoportos rutint, de ennek ellenére nem árt a kevésbé jól

kooperáló osztályokban, ha a mérés leírásokkor javasolunk bizonyos munkamegosztást vagy

61

munkarendet. A csoportmunka megalapozása lehet olyan iskolán kívüli győjtımunka vagy

megfigyelés, amelyet aztán eleinte az osztály, késıbb a csoport dolgoz fel közösen. Az ilyen

jellegő közös munkákkal megalapozva várható csak el, hogy késıbb a csoportmunka egy

összetettebb kísérlet során is jól és fejlesztıen mőködjön. Gyakran a kísérleti órák az idı

hiányában feszített tempóban zajlanak, ahhoz hogy a csoport részvevıi rövid távon is

összehangolódjanak, célszerő „bemelegítı” feladatokat adni. Szerencsés, ha ezek a feladatok

látványosak, de semmi képen sem bonyolultak (pl.: egy érdekes színreakció, vagy az 1.

kísérletben szereplı dobozok helyett használhatunk színben a dobozokkal analóg autó

maketteket.) Az ilyen jellegő bevezetı feladatok a diákokat ráhangolják a késıbbi nagyobb

figyelmet követelı összetettebb kísérletekre.

4.4. A napenergia tanítása gyakorlati módszerekkel a tanóra keretein kívül

A tanórán kívüli foglalkozások több idıt, nagyobb eszközskálát, összességében szélesebb

lehetıségeket teremtenek a természettudományos szaktárgyak gyakorlatiasabb megközelítésre a

tanórákhoz képest. Ezek a foglalkozások, szakkörök, tudományos klubok szinterei lehetnek,

kutatásoknak, projekteknek, kísérleteknek, tapasztalat cserének, vitáknak, amelyek segítik a

diákok kreativitásának, önálló gondolataiknak a kibontakozását, formálódását. A gyerekek

nagyobb szerepet kapnak, abban hogy milyen témákat érintsenek, milyen feladatokat oldjanak

meg. Az itt született eredmények esetleg késıbb közlésre kerülhetnek az iskolaújságban,

honlapon, más iskolák hasonló foglalkozásain vendég elıadóként. Szaktárgyi szempontból

alapvetıen szemléletformáló hatásúak (tudományos, egzakt megközelítés kialakulása), tágabb

pedagógiai értelemben pedig önállóbbá válik a diák, kibontakoztatja kreativitását , tehetségét,

szélesíti érdeklıdési körét és társas kapcsolatokat ápol társaival (csoport munka rutinszerővé

válik). A napenergia témaköre sok lehetıséget teremt kutatói, kísérleti munkára. A

következıkben a tanórai kísérlethez hasonló, de annál részletesebb, precízebb mérést írok le,

mely késıbb mérési sorozatok alapja lehet. Az alapvetı célkitőzések itt is azonosak az elsı

kísérletsorozatnál leírtakkal, azzal a különbséggel, hogy egy olyan mőszert állítanak össze a

diákok, mellyel késıbb akár egy egész éves méréssorozatot is meg tudnak majd valósítani. Ez a

kísérletet szintén 11.évfolyamos tanulók oktatásában alkalmazható.

62

A napállandó mérése

(FORRÁS: HTTP://NAPNAP.SULINET.HU/INDEX.PHP?P=TYPE1DOC)

Szükséges eszközök:

2 alumínium kocka (egyik árnyékolt, másikra rásüt a Nap)

2 hımérı

1 Voltmérı

1 Ampermérı

1 változtatható feszültségő áramforrás (max. 0.4 A egyenáram)

10 Ohm /2W ellenállás

árnyékoló lemezek

Két azonos alumínium kockát (4 cm*4 cm*4 cm) melegítünk, az egyiket Nappal, a másikat

ellenállás főtéssel. Az elektromosan melegített kockát ernyıvel védjük a napsugaraktól, a másikat

direkt sugárzásnak tesszük ki. A két kocka hımérsékletét úgy kell beállítani, hogy mindkettı

azonos módon változzon, azaz ugyanakkora egyensúlyi hımérsékletre álljon be. A berendezést

úgy kell rögzítenünk, hogy arra merılegesen essenek be a napsugarak. A kockák felsı lapját

bekormozzuk ( pl. gyertya), hogy nagyobb hatásfokú legyen a fény elnyelés (energia elnyelés).

MA kockákat kifúrjuk, amelyekben elhelyezzük a hımérıket. (A hıátadást célszerő CPU

63

hıátadó géllel fokozni.). Ha az alumínium kockákban beállta hımérséklet, azaz egyensúlyi

(hıleadás és hıfelvétel egyenlı) és hımérsékletük is azonos leolvassuk az ellenálláson átfolyó

áramerısséget. Az ellenállás főtıteljesítménye: P = U * I. Ismerve az alumínium kocka felületét

(1,6*10-3m2), kiszámolható az egységnyi felületre esı teljesítmény:

A napsugarak azonban szóródnak, visszaverıdnek és csak egy részük éri el a földfelszínt, az

idıjárásból és a sugarak úthosszából fakadó sugárzás gyengítı hatást X tényezıvel fejezzük ki és

súlyozzuk a mért eredményünket. Ehhez meg kell határozni az azimutális szöget.

(A táblázat az APS Laboratory "Measuring the temperature of the sun" cikkébıl származik).

64

Szükségünk lesz továbbá a külsı környezeti hımérsékletre, és az aktuális idıjárás viszonylatában

leolvasható a megfelelı azimutális szöghöz tartozó X értéket. A számolt napállandót megkapjuk

ha behelyettesítünk a következı képletbe :

4.5. A tanórán kívüli iskolai foglalkozások szerepe a tanulók oktatásában és nevelésében

Az 1.4. pontban leírt kísérlet egy olyan gyakorlati feladat, ami technikailag a kezdeti

lépésektıl a mérés kivitelezéséig, vagy akár a méréssorozat megvalósításáig egy tanóra keretébe

nem beleilleszthetı. Az ilyen hosszabb lebonyolítást és komolyabb háttértudást feltételezı

feladatok nem is képezhetik a törzsanyag részét, viszont jó alkalmat biztosítanak az érdeklıdı,

esetleg az átlagból kiemelkedı diákok továbbképzésére. Lehetıség nyílik a tanulmányi

versenyekre való felkészülésre és tehetséggondozásra is. A szakköri foglalkozásoknak azonban

nem szabad egy zárt, „elit” körré alakulniuk, mindenképen meg kell ırizniük ismeretterjesztı

jellegüket. Ezt olyan témák körüljárásával érhetjük el, melyek szélesebb körben felkeltik a

figyelmet, pl.: egy fizika szakkörön témaként megjelenhet a csillagászat, őrkutatás, megújuló

energiaforrások, természeti jelenségek stb. A környezeti nevelés szempontjából oly

nélkülözhetetlen átfogó, holisztikus szemléletmód kialakításában nagy szerepet játszhat, ha az

ilyen jellegő foglalkozások nem különülnek el szaktárgyanként, és általánosabban pl.:

természettudományi, természetismereti, vagy környezetismereti szakkör, klub, tudományos kör

néven vannak meghirdetve. A tanórán kívüli iskolai foglalkozásokon a már említet csoportmunka

minden szintje alkalmazható: az önálló győjtımunkára építı közös beszélgetések,viták, vagy akár

a leírt napállandó mérés példáján látott mérıberendezés készítése és az ezzel végezhetı csoportos

kutatások is. Az említett mérımőszer létrehozása inkább páros (vagy esetleg hármas) munka. A

szerelés, kivitelezés során a négy-öt fıs csoportok már zavaróan magas létszámúak lennének.

Ezek a fajta páros munkák a mérésekkel formálhatóak csoportmunkává (eltérı helyen mérnek a

párok, majd összevetik az adatokat tapasztalatot cserélnek). Késıbb közös mérési (kutatási) tervet

készítenek,melyben mindenkinek megvan a maga feladata és területe.

65

Az ilyen tanulói tevékenység hozzájárul a készségszintő munkaszervezés elsajátításában,

fejleszti a konfliktus kezelést, kibontakoztatja a tanulók kreativitását, érettebb gondolkodást

alakít ki. Mindazonáltal a tananyag terén szélesebb körő, átfogóbb tudást ad, segíti a

pályaválasztást, felkészülést biztosít a tanulmányi versenyekre, hozzájárul az emeltszintő

érettségire való felkészüléshez, szélesebb ismeretekkel ruházza fel az itt résztvevıket,

összességében segíti mind a tanulmányi mind a szociális fejlıdését a diákoknak. A leírtak alapján

tehát véleményem szerint igen jelentıs szerepe lehet a tanórán kívüli iskolai foglalkozásoknak a

tanulók oktatásában és nevelésében.

66

5. Összegzés

Szakdolgozatomban a napenergia felhasználásának egyik perspektívikus ágával, a napenergia

fókuszálásának témakörével foglalkoztam. Áttekintettem a napenergia hasznosítás lehetıségeit,

rámutattam, hogy a napenergia kicsi energiasőrősége miatt a legtöbb esetben célszerő fókuszálni

a napsugarakat. A fókuszálás lehetséges optikai lehetıségeit áttekintettem.

A szakdolgozati munkám során a legfontosabb feladat egy fókuszáló rendszer megépítése és az

ehhez tartozó kollektor egység megtervezése és megépítése volt. A berendezést sikeresen

megépítettük Kiss Péter barátommal, aki szakdolgozatában ugyanezen kísérleti eredményt egy

másik szemszögbıl vizsgálta és írta le, a napenergiás hőtés szempontjából. Dolgozatainkban csak

az energiaátadás mérése a közös, ennek oka pedig az, hogy együtt dolgoztunk munkánk során.

A megépített berendezést nem direkt napsugarakkal, hanem 1000 W-os reflektorral teszteltük. A

rendszer mőködıképes volt, sok mechanikai és elektromos nehézség leküzdése árán, de a hozzá

kapcsolt abszorbciós hőtı melegítendı pontját nem tudta elegendıen felmelegíteni ahhoz, hogy a

hőtı mőködés meginduljon. A szükséges 230 °C helyett csak 143 °C-t sikerült elérni. A

berendezésünk ennek ellenére egy jó elsı lépés a napenergiás hőtıberendezés olcsó

megvalósítása felé.

Munkánk során a saját tervezési és kivitelezési feladatok elvégzése mellett a napenergia

felhasználásával közelebbrıl is megismerkedtünk, és az épített rendszer környezettudatos oldalait

a dolgozatban megpróbáltuk kiemelni. Ha sikerül ilyen rendszert mőködı képes állapotba hozni,

annak mindenképpen az lenne a legnagyobb elınye, ha a nyári erıs napsütés idején légterek

hőtésére alkalmazhatóvá válna. Ez egy ígéretes cél, de természetesen a részeredmények elérése is

sikert jelentett számunkra.

67

Felhasznált irodalom:

KISS Á., KÖRNYEZETFIZIKA JEGYZET, 2004, EGYETEMI JEGYZET, ELTE EÖTVÖS KIADÓ

KISS ÁDÁM – HORVÁTH ÁKOS, 2006, KISÉRLETI FIZIKA, EGYETEMI JEGYZET, TESSEDIK SÁMUEL KIADÓ,

SZARVAS

DR. MUNKÁCSY B., AZ ENERGIAGAZDÁLKODÁS ÉS AZ EMBERI TÉNYEZİ, 2008, KÖRNYEZETI NEVELÉS

HÁLÓZAT ORSZÁGOS EGYESÜLET

ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN, 2006. 8. SZ. P. 31.

MUNKÁCSY B., ENERGIAGAZDÁLKODÁS, EGYETEMI JEGYZET, 2007

http://www.mol.hu/gazkerdes/arkepzes.html

MARX GYÖRGY, ATOMMAGKÖZELBEN, 70.O., 1996, MOZAIK OKTATÁSI KIADÓ

DR. GÖİZ LAJOS, ENERGETIKA JÖVİIDİBEN, 2007, BESSENYEI GYÖRGY KÖNYVKIADÓ

http://www.vet.bme.hu/okt/index.htm

http://corporateuk.eneco.nl

PÁLFY MIKLÓS, ENERGIA GAZDÁLKODÁS 45. ÉVF. 2004. 5.

http://www.optika.hu/manager.asp?page=http://www.optika.hu/magazin/tukor/tukor.htm

VÁSÁRHELYI TAMÁS ÉS VICTOR ANDRÁS, NEMZETI KÖRNYEZETI NEVELÉSI STRATÉGIA, 2003.

SCHRÓTH ÁGNES, KÖRNYEZETI NEVELÉS A KÖZÉPISKOLÁBAN, 2004, TREFORT KIADÓ

BUGÁN ANTAL: A CSOPORTMÓDSZEREK ALKALMAZÁSÁNAK ÁLTALÁNOS ELMÉLETI VONATKOZÁSAI, IN

ISKOLAPSZICHOLÓGIA 8 ., CSOPORTMÓDSZEREK AZ ISKOLÁBAN-KÍSÉRLETEK 7 -8.

HTTP://NAPNAP.SULINET.HU/INDEX.PHP?P=TYPE1DOC

68

Tartalomjegyzék

1. Bevezetés......................................................................................................................................3

1.1. A 21. sz. társadalmainak energiakérdése, fosszilis energiahordozók felhasználásának

problémái......................................................................................................................................3

1.2. Megújuló energiaforrások az EU-ban és Magyarországon (célkitőzések, vállalások ,

irányelvek)....................................................................................................................................4

1.3. A megújuló energiák felhasználásának áttekintése, történeti háttere....................................5

2. A napenergia hasznosításának fizikai, földrajzi, meteorológiai, technológiai háttere .................9

2.1. A napsugárzás, mint elektromágneses sugárzás fizikai alapjai .................................................9

2.2. A Földre jutó napenergia sorsa, a napsugárzás energetikai kérdései (nappálya, beesési

szög, intenzitás) ..........................................................................................................................10

2.3. A napenergia felhasználásának technológiai lehetıségei, háttere (napelem, napkollektor

mőködésének bemutatása, kollektor típusok) ............................................................................13

2.3.1. Fototermikus rendszerek ..............................................................................................14

2.3.2. Fotovillamos rendszerek ..............................................................................................17

2.4. A napenergia felhasználásának korlátai és problémái.........................................................20

3. A napenergia fókuszálása...........................................................................................................23

3.1. A fókuszáló rendszerek fizikai jellemzıi ............................................................................23

3.2. A nappálya...........................................................................................................................26

3.3. Parabola tükrös fókuszáló berendezés kivitelezése.............................................................28

3.3.1. A kísérleti berendezés mőködési elve ..........................................................................28

3.3.2. Mőszaki paraméterek ...................................................................................................29

69

3.3.3. Fı részegységek ...........................................................................................................31

3.4. Mérés leírás és költségkalkuláció........................................................................................36

3.4.1 Technológiai hatékonyság.............................................................................................36

3.5. A Fókuszáló rendszerek felhasználási lehetıségei..............................................................43

3.5.1. Abszorbciós hőtés ........................................................................................................43

3.5.2. Naperımővek ...............................................................................................................45

4. Szakdolgozat szakmódszertani fejezet .......................................................................................48

4.1. Környezeti nevelés ..............................................................................................................48

4.1.1. A környezeti nevelés célja............................................................................................48

4.1.2. A környezeti nevelés legfontosabb értéktartalmai .......................................................48

4.1.3. Törvényi keretek, megvalósulási formák .....................................................................49

4.2. A megújuló energiák a tanóra keretein belül.......................................................................52

4.3. A napenergia tanítása gyakorlati módszerekkel a tanóra keretein belül .............................57

4.3.1. Gyakorlati kivitelezés...................................................................................................57

4.3.2. A gyakorlati óra pedagógiai célja.................................................................................59

4.3.3. A gyakorlati óra módszertani feladatai ........................................................................60

4.4. A napenergia tanítása gyakorlati módszerekkel a tanóra keretein kívül .............................61

4.5. A tanórán kívüli iskolai foglalkozások szerepe a tanulók oktatásában és nevelésében ......64

5. Összegzés ...................................................................................................................................66