A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS MÓDJAI

A napenergia közvetlen hasznosításának legelterjedtebb módjait két fő csoportba szokás sorolni. Ezek egyike az ún. paszív hasznosítás, amikor külön kiegészítő eszköz, berendezés nélkül tudjuk a napenergiát - megfelelő tájolás, célszerű üvegezés, hatékony szigetelés és alkalmas szerkezeti anyagok megválasztásával - az épületek fűtésére felhasználni.
A másik megoldás az aktív hasznosítás, amikor valamilyen, külön erre a célra készített eszköz (kollektor, napelem) segítségével alakítjuk át a Nap sugárzási energiáját hővé vagy villamos energiává.
Tágabb értelemben a biomassza energetikai célú felhasználása is napenergia-hasznosítást jelent, hiszen a növények az asszimiláció során a napsugárzás segítségével alakítják át a szervetlen anyagokat szerves vegyületekké. Más szóval a növények kémiailag kötik meg a napenergiát, amit aztán a növényi rostok elégetése során hőenergiaként hasznosíthatunk.
A napenergia hasznosításának a mezőgazdaság területén van a legnagyobb hagyománya. A kezdetben üvegezett, majd később műanyag borítású üvegházakat évek óta széles körben használják, elsősorban zöldségfélék és virágok termesztésére. Hazánkban több vidéken is igen elterjedt az ún. fóliás termesztés, ami a mi éghajlati viszonyaink mellett is lehetővé teszi egyes zöldségfélék korai előállítását.
A takarmányszárítás is igen fontos terület. Itt általában a környezeti hőmérsékletnél csak 5-10 fokkal melegebb levegőre van szükség, mivel magasabb hőmérsékleten szárítva a takarmány már veszítene tápértékéből. Többféle műszaki megoldást is alkalmaznak erre a feladatra. Ma már széles körben elterjedt például az a technológia, amelynek lényege, hogy a kényszerlevegős szárítók elé nagy átmérőjű, fekete fóliából kialakított, a talajhoz rögzített csövet kapcsolnak be. A ventillátor a fekete fólián keresztül nyomja a levegőt a szárítóba. A csövön áthaladva a levegő felmelegszik, és közben feszesen "felfújva" tartja a csövet.
A napenergia-hasznosító berendezések alkalmazására azok a területek a legelőnyösebbek, ahol alacsony hőmérsékletű levegőre vagy vízre van szükség. Ilyen terület például az uszodák hőellátása, ahol a használat időszaka szerencsésen egybeesik azzal az évszakkal, amelyben a Nap sugaraival a legtöbb energia érkezik a Föld felületére. A szabad téren lévő medencék hőigénye két fő részből tevődik össze.
Egyik a víz felszínén a párolgásból adódó hőveszteség, a másik pedig a friss víz felmelegítésének energiaigénye. Napsütéses időben az uszodákhoz a szükséges energia mennyiségét kollektoros vízmelegítéssel lehet biztosítani.

 

Passzív napenergia hasznosítás

A napenergia aktív hasznosítása, mint erre már utaltunk, alapvetően fototermikus vagy fotovillamos módon mehet végbe. A fototermikus megoldás azt jelenti, hogy egy alkalmas eszközön (napkollektoron) folyadékot vagy levegőt áramoltatunk keresztül úgy, hogy közben minimálisra csökentjük az áramló közeg által felfogott energiának visszasugárzás vagy hővezetés általi eltávozását a készülékből. A felmelegített folyadékot leggyakrabban meleg víz előállítására használjuk fel, de természetesen egyéb megoldások is előfordulnak a gyakorlatban. 
A fotovillamos megoldás során napelem segítségével alakítjuk át a napenergiát közvetlenül villamos energiává. Az ily módon kapott 12 vagy 24 V-os egyenfeszültséggel közvetlenül lehet fogyasztókat (pl. világítás, szellőztetés) működtetni. Szükség esetén 220 V-os váltóáramú hálózati fogyasztók is működtethetők egy inverteres egység közbeiktatásával. 

  

 

 Mindkét esetben problémát jelent a begyűjtött hő- ill. villamos energia tárolása. Ennek oka az, hogy az energiát sokszor éppen akkor szeretnénk felhasználni, amikor az a napsugárzás hiánya miatt nem áll rendelkezésre, vagy fordítva, akkor van energiahozam, amikor nincs igény a felhasználásra. A folyadékkal működő kollektoros hasznosítás esetén a leggyakoribb megoldás egy megfelelő méretű szigetelt tartály alkalmazása. A napelemek által szolgáltatott villamos energiát legegyszerűbben akkumulátorokban tárolhatjuk.
A napkollektorok illetve napelemek által begyűjthető energia mennyisége nagyban függ a berendezések tájolásától és dőlésszögének beállításától. Tájolás tekintetében természetes, hogy a déli beállítás a legkedvezőbb. A dőlésszög optimális értéke az üzemeltetés időszakától függ. A Budapesten érvényes havi átlagos sugárzási adatokból számolva egész évi működtetés esetén a vízszintessel bezárt 43,5 fokos dőlésszögű beállítás az optimális. Nyári hónapokra a jelentősen eltérő napmagasságok miatt ez az érték 18,5 fokra, a téli hónapok idejére pedig 76,2 fokra becsülhető. Általában 30-60°-os dőlésszöget szokás alkalmazni.

 

A napelem

A napelemek, vagy más néven fotovillamos elemek a fotovillamos jelenséget hasznosítják. A Nap elektromágneses sugárzása a napelem alapanyagát képező félvezetőben szabad töltéshordozókat hoz létre, amelyek hatására a napelem fémelektródáin feszültségkülönbség keletkezik. Ha a fémelektródákat külső áramkörön keresztül összekapcsoljuk, akkor a napelem megvilágításának hatására a külső áramkörben azzal arányos mértékű egyenáram folyik. Az áram nagyságát a keletkezett szabad töltéshordozók száma határozza meg, a feszültség pedig az alapanyag jellegétől függ. 
A napelem fény hatására működik, így közvetlen vagy közvetett (az égboltról érkező) napsugárzás, illetve egyéb fényforrás hatására is. Az elméleti energiaátalakítási hatásfok akár a 60 százalékot is elérheti, azonban a gyakorlatban ennél lényegesen kisebb hatásfokú napelemek készülnek. 

 

A napkollektor

A napenergia összegyűjtésre szolgáló berendezések működési hőmérséklete a felhasználási céltól függően különböző lehet: 20 és 100 oC között változik. A burkolat nélküli hőelnyelők fekete felületű műanyagból vagy fémből készülnek, megjelenési formájuk lehet lemez, paplan, szőnyeg, cső vagy tömlő. Ezek az olcsóbb berendezések legfeljebb 40 oC-ig alkalmasak a napenergia hasznosítására, és csak a nyári időszakban működőképesek. Igen jól használhatók például uszodavíz melegítésére, vagy hőszivattyúk energiagyűjtőjeként. 

 

 A 40 oC hőmérséklet fölötti működést a hőelnyelő hőszigetelésével, jó minőségű fényelnyelő bevonatával és fényáteresztő takarással kell biztosítani, ezeket a berendezéseket nevezzük üvegezett síkkollektoroknak.