Az elmúlt években a tudósok különösen érdeklődtek az alternatív energiaforrások iránt. Előbb-utóbb elfogy az olaj és a gáz, ezért most azon kell gondolkodnunk, hogyan éljük túl ezt a helyzetet. Európában aktívan használják a szélmalmokat, valaki az óceánból próbál energiát kinyerni, és beszélni fogunk a napenergiáról. Hiszen egy csillag, amelyet szinte minden nap látunk az égen, segíthet megmenteni a nem megújuló erőforrásokat és javítani a környezetet. A Nap értékét a Föld számára nehéz túlbecsülni - hőt, fényt ad, és lehetővé teszi a bolygó minden életének működését. Akkor miért nem találsz rá más hasznot?
Egy kis történelem
A 19. század közepén Alexander Edmond Becquerel fizikus fedezte fel a fotovoltaikus hatást. A század végére pedig Charles Fritts megalkotta az első olyan eszközt, amely képes a napenergiát elektromos árammá alakítani. Ehhez vékony aranyréteggel bevont szelént használtak. A hatás gyenge volt, de ezt a találmányt gyakran hozzák összefüggésbe a napenergia korszakának kezdetével. Egyes tudósok nem értenek egyet ezzel a megfogalmazással. Albert Einstein világhírű tudóst nevezik a napenergia korszakának megalapítójának. 1921-benévben Nobel-díjat kapott a külső fotoelektromos hatás törvényeinek magyarázatáért.
Úgy tűnik, hogy a napenergia a fejlődés ígéretes módja. De sok akadálya van annak, hogy minden otthonba bekerüljön – elsősorban gazdasági és környezetvédelmi. Az alábbiakban megtudjuk, hogy miből állnak a napelemek, milyen károkat okozhatnak a környezetben, és milyen egyéb módon lehet energiát termelni.
megtakarítási módok
A Nap energiájának megszelídítésével kapcsolatos legsürgősebb feladat nem csak annak befogadása, hanem felhalmozása is. És ez a legnehezebb. Jelenleg a tudósok csak 3 módszert fejlesztettek ki a napenergia teljes megszelídítésére.
Az első egy parabolatükör használatán alapul, és kicsit olyan, mint a nagyítóval való játék, amit mindenki gyerekkora óta ismer. A fény áthalad a lencsén, és egy ponton összegyűlik. Ha erre a helyre teszel egy papírlapot, az kigyullad, mert a keresztbe húzódó napsugarak hőmérséklete hihetetlenül magas. A parabola tükör egy homorú korong, amely egy sekély tálra emlékeztet. Ez a tükör a nagyítóval ellentétben nem átereszti, hanem visszaveri a napfényt, és egy ponton összegyűjti, amit általában egy fekete csőre irányítanak vízzel. Ezt a színt azért használják, mert ez a legjobban nyeli el a fényt. A csőben lévő vizet a napfény melegíti fel, és felhasználható elektromos áram előállítására vagy kis házak fűtésére.
Síkfűtés
Ez a módszer használatosteljesen más rendszer. A napenergia vevő úgy néz ki, mint egy többrétegű szerkezet. Működési elve így néz ki.
Az üvegen áthaladva a sugarak az elsötétült fémet érik, ami, mint tudod, jobban elnyeli a fényt. A napsugárzás hőenergiává alakul, és felmelegíti a vizet, amely a vaslemez alatt van. Továbbá minden úgy történik, mint az első módszernél. A felmelegített víz felhasználható térfűtésre vagy elektromos energia előállítására. Igaz, ennek a módszernek a hatékonysága nem elég magas ahhoz, hogy mindenhol alkalmazzák.
Az így nyert napenergia általában hő. Villamosenergia-termelésre sokkal gyakrabban használják a harmadik módszert.
Napelemek
Leginkább az energiaszerzésnek ezt a módját ismerjük. Különféle akkumulátorok vagy napelemek használatát foglalja magában, amelyek számos modern ház tetején megtalálhatók. Ez a módszer bonyolultabb, mint korábban leírtuk, de sokkal ígéretesebb. Ő teszi lehetővé a napenergia elektromos árammá alakítását ipari méretekben.
A sugarak rögzítésére tervezett speciális panelek dúsított szilíciumkristályokból készülnek. A rájuk eső napfény kiüti az elektront a pályáról. Egy másik azonnal igyekszik átvenni a helyét, így egy folyamatos mozgó lánc jön létre, amely áramot hoz létre. Szükség esetén azonnal felhasználják eszközök biztosítására, vagy formában halmozódnak felelektromos áram speciális akkumulátorokban.
A módszer népszerűségét az indokolja, hogy egyetlen négyzetméter napelemből több mint 120 wattot tesz lehetővé. Ugyanakkor a panelek viszonylag kis vastagságúak, így szinte bárhol elhelyezhetők.
Szilícium panelek típusai
Többféle napelem létezik. Az elsők egykristályos szilícium felhasználásával készülnek. Hatékonyságuk körülbelül 15%. Ezek a napelemek a legdrágábbak.
A polikristályos szilíciumból készült elemek hatékonysága eléri a 11%-ot. Ezek olcsóbbak, mivel az anyagot egyszerűsített technológiával nyerik. A harmadik típus a leggazdaságosabb és minimális hatékonysággal rendelkezik. Ezek amorf szilíciumból készült panelek, azaz nem kristályosak. Az alacsony hatásfok mellett van egy másik jelentős hátrányuk is: a törékenység.
Egyes gyártók a napelem mindkét oldalát használják a hatékonyság növelésére – hátul és elöl. Ez lehetővé teszi, hogy nagy mennyiségben rögzítse a fényt, és 15-20%-kal növelje a kapott energia mennyiségét.
Hazai producerek
A napenergia a Földön egyre szélesebb körben elterjedt. Még hazánkban is érdeklődnek ennek az iparágnak a tanulmányozása iránt. Annak ellenére, hogy Oroszországban nem túl aktív az alternatív energia fejlesztése, sikerült némi sikert elérni. Jelenleg több szervezet foglalkozik napenergia-panelek készítésével - főkéntkülönböző területek tudományos intézetei és elektromos berendezéseket gyártó gyárak.
- NPF "Kvark".
- OJSC Kovrov Mechanical Plant.
- Összoroszországi Mezőgazdasági Villamossági Kutatóintézet.
- NGO Engineering.
- AO VIEN.
- OJSC "Ryazan fémkerámia eszközök üzeme".
- JSC Pravdinsky Pilot Plant of Power Sources Pozit.
Ez csak egy kis része azoknak a vállalkozásoknak, amelyek aktívan részt vesznek az alternatív energiaforrások fejlesztésében Oroszországban.
Környezeti hatás
A szén és olaj energiaforrások elutasítása nemcsak azzal függ össze, hogy ezek az erőforrások előbb-utóbb elfogynak. Az a tény, hogy nagymértékben károsítják a környezetet - szennyezik a talajt, a levegőt és a vizet, hozzájárulnak az emberek betegségeinek kialakulásához és csökkentik az immunitást. Éppen ezért az alternatív energiaforrásoknak környezetbarátnak kell lenniük.
A napelemek gyártására használt szilícium önmagában biztonságos, mivel természetes anyag. De tisztítás után hulladék marad. Ezek azok, amelyek nem megfelelő használat esetén károsíthatják az embereket és a környezetet.
Ezen túlmenően, a napelemekkel teljesen feltöltött területen a természetes világítás zavart okozhat. Ez változásokhoz vezet a meglévő ökoszisztémában. Általában azonban a napenergia átalakítására tervezett eszközök környezeti hatása minimális.
Gazdaság
A napelemek gyártásának legnagyobb költségei a magas nyersanyagköltséghez kapcsolódnak. Amint azt már megtudtuk, a speciális panelek szilícium felhasználásával készülnek. Annak ellenére, hogy ez az ásvány a természetben széles körben elterjedt, nagy problémákkal jár a kitermelése. A helyzet az, hogy a földkéreg tömegének több mint negyedét kitevő szilícium nem alkalmas napelemek gyártására. Erre a célra csak az ipari módszerrel nyert legtisztább anyag alkalmas. Sajnos a legtisztább szilícium kinyerése homokból rendkívül problémás.
Ennek az erőforrásnak az ára az atomerőművekben használt uránéhoz hasonlítható. Éppen ezért a napelemek ára jelenleg meglehetősen magas szinten marad.
Modern technológiák
Az első kísérletek a napenergia megszelídítésére már régen megjelentek. Azóta sok tudós aktívan részt vesz a leghatékonyabb berendezések keresésében. Nemcsak költséghatékonynak, hanem kompaktnak is kell lennie. Hatékonyságának a maximumra kell törekednie.
Az első lépéseket a napenergia fogadására és átalakítására alkalmas ideális eszköz felé a szilícium akkumulátorok feltalálásával tették meg. Természetesen az ára meglehetősen magas, de a panelek a házak tetejére, falára helyezhetők, ahol senkit nem zavarnak. Az ilyen akkumulátorok hatékonysága pedig tagadhatatlan.
A napenergia népszerűségének növelésének legjobb módja azonban az, ha olcsóbbá tesszük. Német tudósok már javasolták a szilícium helyettesítését szintetikus szálakkal, amelyekbe integrálhatószövet vagy egyéb anyagok. Egy ilyen napelem hatásfoka nem túl magas. De egy szintetikus szálakkal tarkított ing legalább egy okostelefont vagy lejátszót képes árammal ellátni. A nanotechnológia területén is aktívan folyik a munka. Valószínűleg lehetővé teszik, hogy a nap ebben az évszázadban a legnépszerűbb energiaforrássá váljon. A Scates AS norvég szakemberei már kijelentették, hogy a nanotechnológia kétszeresére csökkenti a napelemek költségét.
Napenergia otthonnak
Az önfenntartó lakhatás sokak álma: nem függ a központi fűtéstől, nincs probléma a számlákkal, és nem károsítja a környezetet. Sok országban már most is aktívan építenek olyan lakásokat, amelyek kizárólag alternatív forrásokból nyert energiát fogyasztanak. Feltűnő példa erre az úgynevezett napelemes ház.
Az építési folyamat során több befektetést igényel, mint a hagyományos. De több éves működés után minden költség megtérül - nem kell fizetnie a fűtésért, a meleg vízért és az áramért. Egy napelemes házban mindezen kommunikáció a tetőn elhelyezett speciális fotovoltaikus panelekhez van kötve. Sőt, az így megszerzett energiaforrásokat nem csak az aktuális szükségletekre fordítják, hanem éjszakai és borús időben történő felhasználásra is felhalmozódnak.
Jelenleg nem csak az Egyenlítőhöz közeli országokban építenek ilyen házakat, ahol a legkönnyebb napenergiát nyerni. Be is vannak építveKanada, Finnország és Svédország.
Érvek és hátrányok
Aktívabb lehet olyan technológiák fejlesztése, amelyek mindenhol lehetővé teszik a napenergia felhasználását. De bizonyos okok miatt ez még mindig nem prioritás. Mint fentebb említettük, a panelek gyártása során környezetre káros anyagok keletkeznek. Ezenkívül a kész berendezés galliumot, arzént, kadmiumot és ólmot tartalmaz.
A fotovoltaikus panelek újrahasznosításának szükségessége szintén sok kérdést vet fel. 50 év működés után használhatatlanná válnak, és valahogy meg kell semmisíteni. Óriási károkat okoz a természetben? Érdemes azt is figyelembe venni, hogy a napenergia ingatag erőforrás, melynek hatékonysága a napszaktól és az időjárástól függ. És ez jelentős hátrány.
De persze vannak pluszok is. A napenergia szinte bárhol bányászható a Földön, az előállításához és átalakításához szükséges berendezés pedig elég kicsi lehet ahhoz, hogy elférjen egy okostelefon hátulján. Ennél is fontosabb, hogy megújuló erőforrásról van szó, vagyis a napenergia mennyisége még legalább ezer évig változatlan marad.
Lehetőségek
A technológiák fejlesztése a napenergia területén az elemek létrehozási költségeinek csökkenéséhez kell, hogy vezessen. Már megjelennek az ablakokra szerelhető üvegtáblák. A nanotechnológia fejlődése lehetővé tette egy olyan festék feltalálását, amelyet a napelemekre permeteznek, és helyettesíthetik a szilíciumréteget. Ha a napenergia költsége valóban többszörösére csökken, népszerűsége is többszörösére nő.
A kisméretű panelek egyéni használatra lehetővé teszik az emberek számára, hogy bármilyen környezetben – otthon, az autóban vagy akár a városon kívül – felhasználják a napenergiát. Elosztásuknak köszönhetően csökken a központi áramhálózat terhelése, mivel az emberek maguk tölthetik majd fel a kis elektronikai eszközöket.
A Shell szakértői úgy vélik, hogy 2040-re a világ energiájának mintegy felét megújuló forrásokból állítják elő. Németországban már most is aktívan növekszik a napenergia fogyasztása, az akkumulátor teljesítménye pedig meghaladja a 35 Gigawattot. Japán is aktívan fejleszti ezt az iparágat. Ez a két ország vezető szerepet tölt be a napenergia felhasználásában a világon. Az Egyesült Államok valószínűleg hamarosan csatlakozik hozzájuk.
Egyéb alternatív energiaforrások
A tudósok nem szűnnek meg azon töprengeni, hogy mit lehetne még felhasználni elektromos áram vagy hő előállítására. Íme néhány példa a legígéretesebb alternatív energiaforrásokra.
Szélmalmok ma már szinte minden országban megtalálhatók. Még sok orosz város utcáin is telepítenek lámpákat, amelyek szélenergiából biztosítják a villamos energiát. A költségük minden bizonnyal magasabb az átlagosnál, de idővel pótolni fogják ezt a különbséget.
Elég régen feltaláltak egy technológiát, amely lehetővé teszi, hogy energiát nyerjena víz hőmérsékletének különbsége az óceán felszínén és mélységében. Kína aktívan fejleszti ezt az irányt. Az elkövetkező években a Középbirodalom partjainál építik a legnagyobb ilyen technológiával működő erőművet. Vannak más módok is a tenger használatára. Például Ausztráliában egy olyan erőmű létrehozását tervezik, amely az áramerősségből termel energiát.
Sok más módja van az áram- vagy hőtermelésnek. De sok más lehetőség mellett a napenergia valóban ígéretes irány a tudomány fejlődésében.
