2.3. Napenergia

Tágabban értelmezve a napenergiahasznosítás fogalmát, akár a szél- és vízenergia, vagy a biomassza energiaforrásként való felhasználása is ebbe a kategóriába lenne sorolható, hiszen a földi légkör mozgásainak motorja a Nap. Szűkebb értelmezés szerint a Nap energiájának megújuló energiaforrásként való hasznosítása a sugárzási energia összegyűjtése, koncentrálása, átalakítása más energiaformákká. Két alaptípusát különböztetjük meg: napkollektorokkal hőenergiát, napelemekkel elektromos energiát tudunk előállítani.

A napkollektor a napenergiát közvetlenül hőtermelésre fordítja, melyet tipikusan melegvíz előállításához vagy az épületek fűtésénél rásegítő rendszerként használnak. Megfelelő technikai kialakítás esetén a használati melegvíz akár 70-80%-át, illetve egy adott háztartás fűtési energiaigényének 30-40%-át biztosíthatjuk ilyen rendszerekkel. Magyarországon is van példa nagy épületek energiahatékonyságának javítására napkollektorok alkalmazásával: 2007 augusztusában a miskolci Avas lakótelep egyik 50 lakásos panelházára napkollektort telepítettek.

A fotovoltaikus napelem a Napból érkező elektromágneses sugárzást alakítja elektromos energiává. Ehhez a folyamathoz szükség van egy ún. inverter berendezésre is, mely a keletkezett egyanáramot váltóárammá alakítja át. Az előállított áramot rendszerint közvetlenül helyben felhasználják, illetve tárolják akkumulátorokban, s gyakran a többletáramot a központi elektromos hálózatba visszatáplálják.

Kombinált napenergia hasznosító rendszerek (ún. foto-termikus hibrid kollektorok) is léteznek, melyek a napelemek és a napkollektorok előnyeit együttesen alkalmazzák. Ebben az esetben mind hőenergia (pl.: melegvíz), mind elektromos energia termelődik egy időben.

A légkör felső határára érkező sugárzási energia becsült értéke 1,367 kW/m2/nap. Ebből a földrajzi szélesség, az évszak, a borultság függvényében más és más mennyiség érkezik le a földfelszínre, számítások alapján ennek maximuma 1 kW/m2/nap. A 2.6. ábrán bemutatjuk a január és július hónapokra a Nap sugárzási energiájának a földfelszínre leérkező átlagos mennyiségeit. Mind az évszakos változékonyság, mind a földrajzi szélesség szerinti nagy változákonyság jól követhető.

A Nap sugárzási energiájának átlagos földfelszínre érkező mennyiségei W/m2/nap egységekben, 1983-1991

2.6. ábra. A Nap sugárzási energiájának átlagos földfelszínre érkező mennyiségei W/m2/nap egységekben, 1983-1991 (a szinezés kék-piros-fehér, 0-350 W/m2 között) Forrás: NASA Surface Radiation Budget Project

A sugárzási energia kinyerésének legfőbb akadálya a beérkező sugárzási energia nagy területi változékonysága, s kicsi energiasűrűsége. Az utóbbi problémát kísérlik meg enyhíteni a 2.7. ábrán bemutatott, új fejlesztésű berendezések, melyek célja az energiasűrűség fókuszálása. E tükrök, tükörrendszerek három legelterjedtebb típusa látható az ábrán. Az a., b. és c. megoldások rendre vonalszerű, pontszerű, illetve egy kisebb torony segítségével oldják meg a parabolikus fókuszálás által összegyűjtött sugárzási energia vételét, elnyeletését. Az elmúlt évtizedek másik jelentős energiamennyiségnövelő eljárása a Nap járását követő berendezések bevezetése volt. A fenti ismertetett napkollektor-rendszerek fejlesztései mellett a napelemtechnológia is nagymértékben előrehaladt. E fejlesztések következtében az egész világon nagymértékben megnövekedett a sugárzási energia felhasználásával termelt villamosenergia mennyisége. A napelemek villamosenergiatermelésének növekedését, s ennek földi régiók szerinti eloszlását láthatjuk a 2.8. ábrán az 1996-2007 időszakra.

Parabolikus tükörrendszerek a gyakorlatban

2.7. ábra. Parabolikus tükörrendszerek a gyakorlatban: a. hengeres parabolatükrök, vonalas vevővel; b. parabolafelület, pontszerű vevővel; c. parabolafelületet közelítő síktükörrendszer, toronyvevővel

Az EU teljes napenergia alapú energiatermelése az 1996 és 2007 közötti időszakban

2.8. ábra. Az EU teljes napenergia alapú energiatermelése az 1996-2007 időszakban (TOE = tonnes of oil equivalent, kőolaj ekvivalens tonna)

Egyre  nagyobb számban megjelentek az ún. naperőművek, azaz olyan energiatermelő rendszerek, melyek a nap energiáját hasznosítják, s ezért égésterméket nem bocsátanak ki. Kétfajta naperőmű működtethető: a napelemes erőművek, illetve a speciális hőerőművek. Az előbbi esetén sok napelem együttes alkalmazásával állítják elő az elektromágneses áramot (2.9. ábra). Az utóbbiban pedig a Nap infravörös tartományú sugárzása közvetlenül kerül felhasználásra, s a kinyert hőenergiát főként fűtésre használják.

A nevadai Nellis Légierő Támaszpontra telepített fotovoltaikus napenergia hasznosító rendszer

2.9. ábra. A nevadai Nellis Légierő Támaszpontra telepített fotovoltaikus napenergia hasznosító rendszer. A 140 hektárt elfoglaló 70.000 napelem közel 15 MW energia termelésére képes. (Forrás: USAF Photographic Archives)