6. Meteorológiai és éghajlattani alapismeretek (Bartholy Judit,
7.6. A napelemmel és szélkerékkel történő energiatermelés vizsgálata az agostyáni
7.6.1. A vizsgálat elméleti háttere
A földi élet folyamatainak (fotoszintézis, időjárás) energiáját túlnyomó részben (közvetve vagy közvetlenül) a Nap szolgáltatja. A civilizációk által felhasznált energiahordozók is a Napsugárzás energiáját tárolják vagy alakítják át legtöbbször valamilyen formában. A ter-mészetben megtalálható energiaforrások egyik formája az ún. fosszilis energiaforrások, melyek elemei a fa, koksz, szén, kőolaj, földgáz. Az elmúlt korokban ezek kimeríthetetlen forrásoknak tűntek. A fosszilis energiaforrások energiahordozói a szén és a szénhidrogé-nek, melyek kialakulása évmilliókkal ezelőtti korokban már megtörtént, a korábbi élette-vékenységek során a napenergia felhasználásával épült be a növényekbe, és a fosszilis mo-lekulákban koncentrálódik.
Az energiaforrások egy másik típusa az ún. alternatív energiaforrások, melyek a napener-gia direkt és indirekt felhasználása, a geotermikus enernapener-gia, a nukleáris enernapener-gia és az ár-apály-energia. A napenergia direkt felhasználása a napsugárzás energiáját napelemekkel alakítja át másodlagos energiahordozóvá. Az indirekt napenergia felhasználása a követke-zőket jelenti:
– a vízierőművekben felhasznált energia, amelynél a folyók a csapadék miatt nagy víz-hozammal egy magasabb helyről lefelé folynak, így helyzeti energiájukból mozgási energiára tesznek szert;
– a szélerőművekben felhasznált energia, amely a légkör egyenlőtlen felmelegedése ré-vén kialakuló nyomáskülönbségekből ered;
– a hullámenergia, amely a meteorológiai folyamatokban a tengerek hullámzásának mozgási energiáját használja fel;
– a biomasszában tárolt energia, amely geológiai idők alatt a napsugárzás segítségével alakul ki, és ez is a fosszilis molekulákban koncentrált energia.
A direkt és indirekt napenergia mint energiaforrás, egyik nagy hátránya hogy nem koncentrált. Sok szélerőmű-turbinát kell telepíteni, nagy felületű napelemeket kell megfe-lelően elhelyezni és tisztán tartani ahhoz, hogy az átlagos erőművi teljesítményt elérjék. A vízierőművek képesek nagy teljesítmény leadására, de ha beleszámítjuk a felduzzasztott víz által elfoglalt területet, akkor ezzel együtt ezek sem koncentrálhatók kis helyre. Ráadá-sul a felduzzasztott víz okozta természetes környezetváltozás is számottevő.
Ha eltekintünk a különféle energiatermelések teljesítményének kérdésétől, és az ener-giaszükségletet tárgyaljuk, akkor feltesszük azt a kérdést, hogy a jövőben vajon milyen módon fogjuk kielégíteni az emberiség óriási energiaszükségletét, mivel a Föld
energiatar-www.tankonyvtar.hu © Papp Botond, BBTE
Energiára viszont szükségünk van, mert a mai modern élet fenntarthatatlan, elképzel-hetetlen nélküle. Biztonságos megoldást jelenleg az ún. megújuló energiaforrások jelente-nek, és köztük is elsősorban a víz-, a nap- és a szélenergia.
7.6.2. Vizsgálati módszerek
Az Oktatóközpont területén fölállított gyakorlati hely 10 állomásból és az állomásokon működő szelídenergia-berendezésekből áll. Itt alkalom adódik számos olyan készülékekkel testközelben megismerkedni, amelyek működés és üzemelés közben is kipróbálhatók. A terepgyakorlatra szánt idő viszont nem ad lehetőséget mind a 10 energiatermelő berende-zés részletes tanulmányozására, éppen ezért a leírásban csak a napelem, illetve a szélkerék tanulmányozásával foglalkozunk, valamint az ezek által termelt elektromos energia tárolá-sával.
A napenergia direkt felhasználása (napelemek)
A napelem segítségével a napsugárzás energiáját alakítjuk át elektromos energiává. A nap-elem egyenáramot termel, mint egy száraznap-elem (~ 0,5 V). A napnap-elem szilícium egykris-tályból készített félvezető lemezekből áll, melyek érzékenyek a napsugárzásra és melyek-ben a napsugárzás hatása elektromos áramot indukál. Egyre nagyobb felületű lapot alkal-mazva egy adott intenzitású napsugárzás egyre nagyobb áramot indukál.
Az energia átalakulása során a Napból érkező látható fénysugárzás kölcsönhatásba lép a szilíciumkristály elektronjaival. A sugárzási energia arányos a fény frekvenciájával. Így a kék fény energiaadagja nem ugyanakkora, mint a vörös fényé. A napelemben a lényeges effektus a fotoeffektus. Ilyenkor egy foton nekiütközik egy elektronnak, teljes energiáját átadja neki, és a foton megsemmisül. Ezen energia birtokában az elektron a korábban veze-tésre nem képes kristályban mozgásképessé válik, feszültség indukálódik a lapon, és meg-indul az áram.
A jelenlegi földfelszíni napelemek a néhányszor tíz, akár száz m2 felületet érik el. Ezek jól alkalmazhatók házak fűtésére vagy akkumulátorok feltöltésére, amivel aztán mindenfé-le emindenfé-lektromos gép működni tud egy meghatározott ideig. A házak fűtése melmindenfé-lett egy másik példa a kerti világítólámpák esete. Néhány négyzetméteres napelemmel, nappal feltöltenek egy kis akkumulátort, amely éjszaka bekapcsol egy kerti lámpát. A kisléptékű földi nap-elem csak bizonyos időszakokban termel energiát, kizárólag nappal, amikor nem takarja el a felszínt egy felhő sem. Ezért a napelem nem használható az energiafogyasztás időbelisé-gének megfelelően, emiatt az energiatároláshoz akkumulátorokat vagy kondenzátorokat szoktak használni.
A Nomád Tábor területén található napelemek lemezenkénti alapfeszültsége 0,45 V, melye-ket sorba kapcsolva 12 V egyenáramot nyerünk. Ezzel a napelemmel már egy 12 V-os ak-kumulátort tudunk föltölteni, melyet védenünk kell a túltöltéstől úgy, hogy szabályozzuk a töltési feszültséget. Teljesítménye 40 W, valamint a napi hozama 20 Wh/nap.
A szélenergia felhasználása (szélkerekek)
A szélgenerátor a levegő mozgási energiáját alakítja át elektromos energiává. Ez két lépés-ben történik, először a levegő mozgási energiáját a széllapátok forgási energiájává alakítják át, majd ezt elektromos árammá. A szél keletkezésének oka a levegő nyomásának egyen-lőtlen térbeli eloszlása. A nyomáskülönbség általában a hőmérséklet-különbség következ-ménye, vagyis hogy a hideg és meleg levegő helyet cserél egymással.
Egy terület minél jobban felmelegszik, annál jobban megnő a nyomása, és a légtömegeket elnyomja a kisebb nyomású helyek felé. Az egyenlőtlen légköri felmelegedéskor ismét a napsugárzás energiája adódik át a légkörnek. Ezért nevezzük a szélenergiát is indirekt nap-energiának.
Az Oktatóközpont területén található szélkerék egy Conrad gyártmányú kisebb áram-fejlesztő szélmotor, melynek 6 széllapátja van. Ez a szélkerék egy rúdra van felszerelve, amely 360-os szögben szabadon forog. A kialakuló különböző sebességű és nyomású lég-áram elfordulásra készteti a szélkerék lapátjait, a folyamatos légmozgás forgó mozgást eredményez. A széllapátok egy rotornak nevezett tengelyre vannak erősítve, mely a szél-motor tengelye. Ez a tengely egy permanens mágnesekből álló generátor tengelyéhez van rögzítve, amely forgás esetén feszültséget indukál a körülötte elhelyezkedő tekercsben.
Ez a szélgenerátor 10 m/s-os szélsebességnél 360 fordulatot végez percenként, mellyel 25 W teljesítményt tudunk elérni. Az indító szél 0,25–0,3 m/s sebességű, amely 3,5 V vál-takozó elektromos feszültséget indukál, amit egy beépített egyenirányítóval egyenfeszült-séggé alakíthatunk, amely már elegendő egy kis „ceruzaakku” töltéséhez. Nagyobb szélse-bességnél sokkal nagyobb feszültség indukálódik. 2,5 m/s-os szélsebesség már elegendő elektromos feszültséget indukál egy 12 V-os akkumulátor töltéséhez. Ezt a feszültséget viszont szabályoznunk kell ahhoz, hogy megóvjuk az akkumulátort a túltöltéstől. A szél-gép átlagos éves termelése 1500 Ah.
7.6.3. A mérési feladatok
A napelemek, szélkerekek csak akkor termelnek elektromos áramot, ha éri őket napfény, illetve széláramlat. Így nem mindig képesek energiát termelni, akkor sem, amikor arra szükség van, ezért fontos, hogy a megtermelt energiát tárolni tudjuk oly módon, hogy olyankor is fel lehessen használni, amikor nincs szél vagy nincs napsütés.
Ebben a feladatban megvizsgálhatjuk a napelemek, illetve a szélkerekek elektromos ener-giatermelésének hatásfokát. Erre használni fogunk napcellákat, szélkereket, amper- és voltmérőt és huzalokat. Szükséges, hogy legyenek előzetes ismereteink az elektromos áramról, áramerősségről, feszültségről, kimenő teljesítményről, áramkörökről, elemekről és akkumulátorokról.
Napelem hatásfokának meghatározása
1. Kössünk össze 2 darab napcellát és helyezzük napfényre ezeket úgy, hogy a napsugárzás merőlegesen essék a cellákra! Mérjük meg a napelemmel elérhető legnagyobb töltőáramot (rövidzárási áramerősséget, Ie) és a napelem által termelt elektromos feszültséget (forrásfe-szültség, Ue)! (Mérésre használjuk a volt-amper mérőt, vigyázva arra, hogy egyenáram (DC) állásban legyenek, és hogy a „+” illetve a „-” végek helyesen legyenek csatlakoztatva)!
2. Számítsuk ki a napelem által leadott elektromos teljesítményt (Pe) wattban (W), a
www.tankonyvtar.hu © Papp Botond, BBTE
Szélkerék hatásfokának meghatározása
1. Helyezzük a szél irányába a forgó szélkereket, majd a szélsebességmérő segítségével határozzuk meg a jelen lévő szél sebességét (vsz)!
2. Mérjük meg a szélkerék lapátjainak hosszát, majd számoljuk ki a szél által súrolt (A) felületet! Számítsuk ki az örvénymentes, stacionárius szél mozgási teljesítményét (Psz), a következő képlet segítségével:Psz lvsz3A
2
1 ahol, l = 1,293 kg/m3 a levegő sűrűsége!
3. Kapcsoljunk rá a szélkerék két elektromos kivezetésére egy amper- és egy voltmé-rőt! Mivel a szélkerékben váltóáram indukálódik, a mérőműszereket AC váltóáramos kap-csolásba állítsuk! Mérjük meg a szélkerékkel elérhető legnagyobb töltőáramot (rövidzárási áramerősséget, Ie) és a szélkerék által termelt elektromos feszültséget (forrásfeszültség, Ue)!
4. Számítsuk ki egy adott (vsz) szélsebességen a szélkerék által termelt elektromos tel-jesítményt (Pe) wattban (W), a Pe=UeIe képlet segítségével!
5. Számítsuk ki a szélkerék elektromos energia átalakításának hatásfokát a = Pe / Psz képlet segítségével!
7.7. Függelékek
7.7.1. Bibliográfia
Budó Ágoston: Kísérleti Fizika 1, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest (1997).
Giber János: Megújuló energiák szerepe az energiaellátásban, Budapest (2005).
Kiss Ádám, Horváth Ákos, Babák György: Környezeti fizika, Szarvas Kiadó(2001).
Kiss Dezső, Horváth Ákos, Kiss Ádám: Kísérleti Atomfizika, ELTE Eötvös Kiadó, Budapest (1998).
Marx György: Atommag közelben, Mozaik Oktatási Stúdió, Szeged (1996).
Miniray SM 2000X sugárvédelmi dózisteljesítmény-mérő, (műszaki leírás).
RAD7 – Elektronikus radondetektor, (használati utasítás).
Szelíd Energia TANÖSVÉNY, Természetes Életmód Alapítvány – munkafüzet (2004) Zajosak vagyunk, (A Környezetvédelmi Minisztérium Kiadványa).
2239 A – Integráló Zajszintmérő, (műszaki leírás).
7.7.2. Fogalomtár
aktivitás: egy radioaktív anyagban időegységenként bekövetkező bomlások száma. Egy-sége a Becquerel (1Bq = 1 bomlás/s). Régi egyEgy-sége a Curie (Ci), ami 1gr rádium aktivitá-sának felel meg: 1Ci = 3.7·1010Bq.
alfa-sugárzás: alfa-részecskékből (2 protonból és 2 neutronból álló héliumatommagokból) álló, kb. 1–10 MeV energiájú sugárzás, amely általában nehéz atommagokból lép ki. Az alfa-részecskék az anyagban igen rövid úton leadják energiájukat, levegőben néhány cm-en, szilárd anyagban kb. néhányszor 10 μm hatótávolságon, valamint a bőr elhalt felső hámrétegén elnyelődnek. Alfa-bomlás következtében az atommag rendszáma (Z) kettővel, tömegszáma (A) néggyel csökken.
béta-sugárzás: nagy energiájú elektronokból (β-) vagy pozitronokból (β+) álló sugárzás. A béta-sugárzás hatótávolsága az anyagban nagyobb, mint az alfa-bomlásé, szilárd anyagban, fémekben néhány mm, kívülről jövő béta-sugárzás a bőrt károsítja. Béta-bomláskor az atommag kibocsát egy elektront vagy egy pozitront és egy antineutrinót, így rendszáma (Z) eggyel nő (β- bomlás) vagy eggyel csökken (β+ bomlás), tömegszáma (A) változatlan ma-rad.
bomlási sorok, radioaktív családok: A radioaktív bomlás során egy kémiai elemből (anyaelemből) egy új elem (leányelem) jön létre. Előfordulhat, hogy ez utóbbi is radioak-tív, így újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg egy stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során a tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás esetében), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás esetében). Ezért a radioaktív nehéz magok bomlásakor a tömegszámok 4-gyel való osztá-sakor a maradék nem változhat, ami 0, 1, 2 vagy 3. Így a nehéz radioaktív elemeket négy családhoz lehet rendelni. Ezeket a leghosszabb felezési idejű tagról nevezik el: 238U, 235U,
232Th, 237Np családok. Az utóbbinak 2,2 millió év a felezési ideje és a Föld kialakulása óta eltelt négy és fél milliárd év alatt lebomlott.
dózisegyenérték: a sugárzás biológiai hatását leíró dózismennyiség, amely figyelembe veszi, hogy különböző fajtájú ionizáló sugárzások biológiai hatékonysága azonos elnyelt dózis esetén különböző. A dózisegyenérték a várható biológiai hatást jellemzi. H=DQF, ahol D az elnyelt dózis, QF a sugárzás minőségi tényezője. Egysége a Sievert, (Sv). A mi-nőségi tényező a sugárzás fajtájától függ. 1 Sv dózis-egyenértékű sugárzás károsító hatása megegyezik 1 Gy röntgen- vagy gammasugárzás elnyelt dózisának hatásával. A dózis-egyenérték (mint régi sugárvédelmi fogalom) helyett gyakran az dózis-egyenérték-dózis elneve-zést használják, amely a sugárzás biológiai hatását bemutató dózismennyiség. Az R típusú sugárzástól, T szövetben vagy szervet ért egyenérték dózis: HT,R DT,RwR, ahol DT,R a T szövetben vagy szervben elnyelt dózis értéke és wR az R sugárzás károsító hatásának súly-tényezője, az egyes sugárzásokra jellemző dimenzió nélküli szám. Az egyenértékdózis egy-sége a sievert (Sv), 1 Sv = 1 J/kg. Az egyenérték dózis régi egyegy-sége a rem (röntgen equivalent man), amely bármely fajta sugárzásnak az a mennyisége, amely az emberben 1 rad elenyelt dózisú röntgen- vagy gamma-sugárzással azonos biológiai hatást gyakorol (1 rem = 0.01 Sv).
dózisteljesítmény: időegység alatt elnyelt dózis. Mértékegysége: 1 Gy/s, gyakorlatban használt egysége:1 µGy/h.
egyenértékű zajszínt: A hangnyomás pillanatnyi értékének egy referencianyomástól (p0) való eltérésnégyzetét a mérés időtartamára (T) átlagolva, a zajszint mérésére alkalmas mennyiséget kapunk. Ennek egy egyszerű függvénye az egyenértékű zajszint:
www.tankonyvtar.hu © Papp Botond, BBTE
ságú) hangok esetében más és más lehet. A fájdalomküszöböt dB-ben adják meg, értéke 1 kHz frekvenciánál 120 dB körül van.
felezési idő: Radioaktív anyag aktivitásának csökkenését jellemző paraméter, amely idő alatt a kezdeti atommagok száma a felére csökken. A felezési idő kapcsolatban van a λ
gamma-sugárzás: nagy energiájú elektromágneses sugárzás, amely legtöbbször gerjesztett atommagokból származik. Az atommag energiáját foton kibocsátásával csökkenti, melynek energiája keV és MeV tartományban van. Gamma-legerjesztődés következtében az atom-mag rendszáma (Z) és tömegszáma (A) nem változik.
hallásküszöb: Azt a legalacsonyabb hangintenzitást mondjuk hallásküszöbnek, amelyet fülünkkel még éppen észlelni tudunk. Ez az intenzitás a különböző frekvenciájú (magassá-gú) hangok esetében más és más. Értéke 1 kHz frekvenciánál 10-12 W/m2.
hangintenzitás: Az egységnyi idő alatt egységnyi felületen átáramlott hangenergia időbeli átlaga. Mértékegysége W/m2. Nagysága a következő formulából számítható: közegbeli hangsebesség. A hangintenzitás szint a hangintenzitásból (I) származtatott mennyiség, amely egy referenciaintenzitástól, a hallásküszöbtől (I0 = 10-12 W/m2) való
I . Mértékegysége a decibel (dB), dimenzió nélküli egy-ség. Logaritmikus jellegét az motiválja, hogy fülünkkel biológiai okok miatt a tízszer gyobb intenzitású hangot csak fele annyival érezzük hangosabbnak, mint a százszor na-gyobb intenzitásút, tehát az inger és az érzet nagysága közötti összefüggés exponenciális.
hatásfok: a rendelkezésre álló energia felhasználásának mértéke. A hatásfok számítása:
= Eh / Eb , ahol: η a hatásfok, Eh a hasznos energia, Eb a befektetett (összes) energia. A befektetett energia és a hasznos energia különbsége a veszteség: (amely valamilyen formá-ban a környezetbe távozik): V = Eb-Eh. Az energiamegmaradás törvényéből következik, hogy a hatásfok 1-nél vagy 100%-nál nagyobb nem lehet. Gyakorlatilag a hatásfok mindig kisebb 100%-nál. A javítása a veszteség csökkentésével vagy egy részének hasznosításával történik.
izotóp: azonos protonszámú de különböző neutronszámú atommag. Más szóval azonos rendszámú (Z), tehát ugyanazt a kémiai elemet jelentő, de különböző tömegszámú (A) atommagok (ZAX ).
izotóparány: egy kémiai elem adott izotópjának aránya az elemet alkotó összes izotóphoz képest. Pl. az urán természetes izotópjai: 234U (0,0055%), 235U (0,720%) és 238U (99,2745%).
leányelem (bomlástermék). A bomlási sor egy meghatározott tagja után következő minden egyes atommagot a tag leányelemének hívjuk.
napállandó: a Nap kisugárzott energiamennyiségének az a része, mely eléri a földi légkört.
Másképpen: a Föld közepes naptávolságában a Nap irányára merőleges, 1 m²-es felületen
egy másodperc alatt áthaladó energia mennyisége a felső légkör tetején, melynek értéke 1370 W/m2 körül enyhén ingadozik.
permeabilitás: a porózus anyag (szilárd kőzet, talaj vagy építőanyag) folyadékra vagy gázokra való áteresztő képessége. A permeabilitás mérésének elméleti alapja a Darcy-törvényen alapszik. Hagyományos mértékegysége a darcy (D), valamint SI-ben a m2. (1 D
10−12m2).
www.tankonyvtar.hu © Kardos Levente, BCE