I. Bevezető

Ma már tudjuk, hogy a Földön az életet a Nap melege, a Nap sugárzása teszi lehetővé. A növényekben elraktározott szerves vegyületek létüket a Nap melegének köszönhetik. A kőolaj, a földgáz, a szén létrejötte a Nap melegére vezethető vissza. A Nap melege emeli a tavak, tengerek, folyók elpárolgó vizét a felhők közé. Innen jut a csapadék a hegyekbe, a hegyekből lezúduló víz pedig felhasználható energiát ad. A napsugárzásra vezethető vissza energiaforrásaink jelentős része.

Évezredek óta sejti, tudja az emberiség, hogy számára milyen fontos a Nap. A több mint 2700 éves babiloni Nap-himnusz gyönyörűen fogalmazza meg a Nap jelentőségét:

Sámás, oh isteni Nap, amikor a nagy hegyből kilépsz,
amikor a nagy hegyből, a mélytavú hegyből kilépsz,
amikor az ég és föld határa mögül kilépsz,
eléd borul a többi isten, oh Sámás, isteni Nap!

Beragyogod a sötétséget, az ég boltozatát.
Elpusztítod a gonoszt fent és alant.
Tüzed hálóba fogja a földet, a bércek ormát sugarasra gyújtod.
Lángban tündöklik a négy világrész, minden országot beborít
rémületes fényed

Hatalmas szemeid behatolnak az óceán mélyébe,
és sugaraidat látják a tenger szörnyei.
Ujjongva fogadnak az emberek, oh Sámás, fényedre
szomjúhozik a világ.

Az emberiséget mindig érdekelte, hogy a Nap energiaforrásának mi az oka.

Az ókorban úgy képzelték, hogy a Nap melege a Napon égő tűztől származik. Kant, német filozófus a XVIII. században úgy gondolta, hogy a Nap éghető anyagból áll, és az égitesten lévő oxigénnel történő egyesüléssel, égéssel adja melegét. Robert Mayer 1848-ban arra gondolt, hogy a Nap hőenergiáját a beléhulló meteorok táplálják. Helmholtz, német fizikus azt feltételezte, hogy a Napnak a saját anyaga zuhan egyre az égitest középpontja felé, és az ebből származó energiaváltozás alakul át hővé.

A megoldást Albert Einstein elmélete adta meg, mely szerint bármely nyugalmi tömegű testben igen nagy energiamennyiség van elraktározva. Ez az energiamennyiség felszabadulhat sugárzási energiává. Ilyen energiaforrás fedezheti a Nap sugárzási energiáját is. Magas hőmérsékleten, megfelelő protonkoncentráció mellett, vagyis, ha teljesül a Lawson-kritérium, akkor elméletileg két folyamatból, a proton-proton ciklusból és a szén-nitrogén ciklusból származó sugárzási energia képes fedezni a Nap melegét.

II. A napsugárzás

A világűrből érkező sugárzás és a világűrbe távozó hő normál körülmények között egyensúlyban van (1. ábra). A földi élettel és az emberi tevékenységgel járó csekély hőáramok (technikai hőfejlesztés és a növények által hasznosított hő) azok, amelyekkel az egyensúlyt - sajnos rossz irányban - befolyásolni lehet. Ez történik jelenleg: a technológiai szén-dioxidtermelés határozottan befolyásolja a légkör sugárzás-átbocsátó képességét. A kényes egyensúly felbillent, a Földön többlethő marad (üvegházhatás).

Nagyon sok és egyre szigorúbb mérést végeztek az úgynevezett napállandó meghatározására. A napállandó az a számérték, amely megadja, hogy átlagos Föld-Nap távolságban, a légkör felső határán, a sugárzás haladási irányára merőleges egységnyi felületre időegység alatt mennyi energia esik. Ma elfogadott átlagos értéke 1353 W/m².

Mivel a Föld a Nap körül ellipszispályán kering - melynek egyik gyújtópontjában van a Nap - ezért a Nap-Föld távolság folyamatosan változik, így a napállandó is 1307 W/m² és 1398 W/m² között változik az év során.

A napsugárzás intenzitása a légkörön való áthaladáskor csökken: a légkör alkotórészei részben elnyelik, részben visszaverik és megtörik a sugárzást. A légkör határáig párhuzamosnak tekinthető sugárnyalábok egy része a légkörben szórt (diffúz) sugárzássá alakul. A napenergia-hasznosító berendezéseknél általában a légkörön áthaladó közvetlen sugárzás és a szórt sugárzás összegével, a teljes sugárzással számolnak. Az 1. táblázat a légkör határához érkező, a légkörön áthaladó, a szórt és a teljes sugárzásintenzitás átlagos, hónaponkénti értékeit mutatja.

(I₀ a légkör határához érkező sugárintenzitás, I₀' a légkörön áthaladó sugárintenzitás, I_Sz a szórt sugárzás intenzitása, I_T a teljes sugárzás intenzitása)
1. táblázat

Az eddig elmondottak ideális, tiszta légkörre vonatkoztak. A valódi légkörben a természetes és civilizációs szennyeződés miatt a direkt sugárzás tovább csökken. A légkör sugárzáscsökkentő tulajdonságát a homályossági tényezővel (T) jellemzik, amely megadja, hogy a légkör a sugárzás mekkora részét engedi át. A homályossági tényező tapasztalati, tájékoztató értékei a következők:

•	zavartalan természet, tenger	T=0,6-0,7
•	mezőgazdasági terület, falu	T=0,4-0,5
•	kis- és közepes város	T=0,3-0,4
•	ipari környezet, nagyváros	T=0,2-0,3

Sajnos a homályossági tényező egyre romlik: Budapesten 1965-ben 0,4-et, 1993-ban viszont már csak 0,25-t mértek.

A Föld tengelye a Nap körüli pályához képest ferde. Ferdesége 23,5°. A ferde forgástengely miatt a sugárzás beesési szöge is változik az év folyamán. A vízszintes felületre eső sugárzást az

képlettel számolhatjuk, ahol I_T a teljes, I_N a vízszintes felületre eső sugárzás, m a napmagasság. Az m szöget egy adott napra, csillagászati délben az

egyenlettel számolhatjuk ki, ahol j a földrajzi szélesség, d a Nap deklinációja (ez csillagászati évkönyvekből kereshető ki).

Ezen túl a Nap helyzete egy adott nap folyamán is változik, ezért a napmagasságot megadó képlet módosul:

,

ahol w az időszög (délben 0°, óránként 15°-ot változik, délután negatív).

A 2. táblázat megadja a vízszintes síkon mérhető teljes sugárzás értékét ideális légkör esetén, hónaponként és óránként W/m²-ben.

2. táblázat

A gyakorlatban a napenergia-hasznosító rendszerek nem vízszintes síkon és nem déli irányban helyezkednek el. Ekkor az elnyelő felületre érkező sugárzást az

képlettel határozhatjuk meg, ahol b az elnyelő felület vízszintestől mért lejtőszöge, g az elnyelő déli iránytól való eltérése, a a Nap azimutszöge, melyet az

összefüggéssel határozhatunk meg.

A 2. ábra megadja a vízszintestől a függőlegesig terjedő felületekre érkező sugárzás intenzitását délben, ideális légkör esetén.

A 3. ábra a 45° dőlésszögű felületre érkező sugárzást mutatja be a déli iránytól való eltérés függvényében.

Egerben, az EKTF Főmeteorológiai Állomásán rendszeresen mérik a napsugárzást. A maximális értéket, 1091 W/m²-et 1993. június 24-én mérték. A 3. táblázat megadja az ideális légkörben vízszintes felületre érkező sugárzási energia elméleti értékét, illetve az Egerben mért értékek átlagát, ezek arányát és a derült napok arányát a hónap napjaihoz mérten.

Hónap	IT	IT'		n
	(MJ/m2)
Január	341	105	31%	33%
Február	450	151	34%	37%
Március	731	318	44%	44%
Április	953	440	46%	43%
Május	1180	595	50%	48%
Június	1226	632	52%	47%
Július	1223	662	54%	53%
Augusztus	1063	574	54%	55%
Szeptember	799	398	50%	55%
Október	576	264	46%	46%
November	372	117	31%	33%
December	299	80	27%	26%
Összeg	9214	4336	47%	43%

3. táblázat

A táblázatból látható, hogy a ténylegesen a Földre érkező energia elsősorban a felhőzet mennyiségétől függ. A legtöbb besugárzást júliusban kapjuk, annak ellenére, hogy a nappalok már valamivel rövidebbek; a Nap delelési magassága kisebb, viszont a felhőzet mennyisége csekélyebb, mint nyár elején.

Vizsgáljuk meg az 1993. év és 1998. év június havi naponkénti napsugárzásának mérési adatait (4. táblázat). G₁ 1993-ban, G₂ 1998-ban a naponkénti globálsugárzás értéke; S₁ 1993-ban, S₂ 1998-ban a naponkénti maximális besugárzás értéke; a naponkénti átlagbesugárzás értéke 1998-ban. (Az 1993-as értékek 600, az 1998-as értékek 900 másodpercenként végzett mérésekből származnak.)

Nap	G1 (MJ/m2)	S1 (W/m2)	(W/m2)	G2 (MJ/m2)	S2 (W/m2)
1.	27,199	1054	244,4	21,11	862,5
2.	23,116	940	280,4	24,22	945,0
3.	19,432	887	330,9	28,58	945,0
4.	25,682	918	314,6	27,18	888,8
5.	26,080	931	315,7	27,27	908,8
6.	25,654	980	345,2	29,82	901,2
7.	20,896	837	337,1	29,12	910,0
8.	20,724	932	356,1	30,76	917,5
9.	30,086	932	185,7	16,04	921,2
10.	30,039	928	316,3	27,32	885,0
11.	13,187	876	271,7	23,47	898,8
12.	24,970	828	230,8	19,94	906,2
13.	29,426	961	205,4	17,74	956,2
14.	18,553	929	194,6	16,1	961,2
15.	23,190	1027	297,9	25,73	935,0
16.	19,642	995	258,8	22,18	948,8
17.	5,957	343	321,0	27,73	940,0
18.	17,631	931	228,4	19,73	830,0
19.	28,253	964	260,5	22,50	886,2
20.	28,082	912	231,5	20,00	907,5
21.	22,607	1033	304,4	26,30	842,5
22.	24,238	939	281,6	24,33	836,2
23.	21,739	878	276,7	23,90	933,8
24.	19,027	1091	189,2	16,34	928,8
25.	29,335	1006	258,1	22,29	878,8
26.	22,220	980	282,3	24,39	952,5
27.	21,264	1045	180,2	15,56	830,0
28.	13,370	911	331,2	28,61	890,0
29.	21,940	933	334,8	28,92	927,5
30.	22,882	950	264,8	22,87	915,0
Összeg	676,421			710,76

4. táblázat

Az Eszterházy Károly Tanárképző Főiskola Meteorológiai Főllomásának és az Állami Népegészségügyi és Tisztiorvosi Szolgálatnak a mérési adataiból kitűnik, hogy a napenergia hasznosításának igen nagy jelentősége lesz a közeljövőben Egerben is.

IV. Naptűzhelyek

A napsugárzás energiájának felhasználása két területen is jelentős: a visszavert és az elnyelt sugarak energiája is hasznosítható. A visszavert napsugarak összegyűjtött energiájával naptűzhely, napkohó működtethető.

A naptűzhely legfontosabb része a Nap járását követő visszaverő felület, pl. homorú gömbtükör. Ennek az optikai rendszernek a gyújtópontjában helyezik el a melegítendő testet, pl. sötétre festett, vízzel telt fazekat. A naptűzhely nagyságától és beeső sugárzási teljesítményétől függően főzésre, sütésre, a napkohó kohászati anyagmegmunkálásra alkalmas. A müncheni Deutsches Museumban a szerzők kétlencsés kerámiaégető kemencét és 120 cm átmérőjű naptűzhelyet (SK-12) láttak.

A hagyományos (fa, szén, gáz, elektromos) tűzhelyek lényege az, hogy a tűzhelyre helyezett test hőmérsékletének - belső energiájának - növelését a kívánt értékig és ideig a tüzelőanyag elégetésével vagy az elektromos áram munkájával biztosítjuk. A belsőenergia-változás veszteségekkel növelt értéke a fosszilis tüzelőanyagokkal üzemelő tűzhelyeknél a

képlettel számolható, ahol m az elégetett tüzelőanyag tömege, L_é a tüzelőanyag égéshője.

Elektromos tűzhelyeknél ez a képlet a következők szerint módosul:

ahol P a tűzhely teljesítménye, t az üzemidő.

Naptűzhely esetén ez az érték a

képlettel határozható meg, ahol S a sugárzási teljesítmény, A a tűzhelynek a napsugárzásra merőleges felülete, t a besugárzási idő.

Mivel a sugárzási teljesítményt a Nap biztosítja, a tűzhely csak napsütésben használható.

A tűzhely alkalmazásának legegyszerűbb példája, amikor vizet forralunk fel. Az ehhez szükséges energiamennyiséget a jól ismert

képlet segítségével határozhatjuk meg, ahol c_v a víz fajhője, m a felforralt víz tömege, DT a melegítés kezdetekor T₁ hőmérsékletű víz hőmérsékletváltozása . Ekkor a W₄/W₃ hányados megadja a naptűzhely hatásfokát. A főzéshez szükséges energia meghatározása - különösen a veszteségek figyelembevételével - nem könnyű feladat.

A naptűzhelyek egyik változatánál, a reflektoros naptűzhelyeknél a napsugárzás egy tükröző réteggel bevont gömbsüveg, parabola vagy henger felületre jut, melynek fókuszpontjában vagy fókuszvonalában helyezkedik el a melegítendő test. Ezeknél a tűzhelyeknél a felületről visszavert sugárzás nagymértékben függ a felület visszaverőképességétől. A visszaverőképesség (reflexióképesség) a visszavert fényáram és a beeső fényáram hányadosaként számítható. Ha ez az érték kicsiny, a visszaverőfelület melegszik fel. Ez azt jelenti, hogy a visszaverőfelületnek nagy reflexióképességűnek, tehát minél simábbnak és "fényesebbnek" kell lennie.

A különböző megoldási módoknál a felület kialakítása nagyon változó: fémből kivágott, szabályos, polírozott fóliaszeletek; gömb-, parabolafelületekhez jól közelítő tükröző síkdarabok; megfelelő alakú felületre felvitt sejtszerű háromszög, rombusz, ötszög, hatszög alakzatok, félbevágott fémhengerek stb.

A fókuszban elhelyezett test - a főzőedény - felületének minimális reflexiójúnak kell lennie, hogy a sugárzási energia legnagyobb részét elnyelje. A főzőedény ideális esetben tehát fekete és matt.

A teljes rendszernek a Nap irányába fordításához két irányban mozgatható, a teljes berendezés és a főzendő folyadék, étel súlyát is biztonsággal tartó tengely és állvány szükséges.

A szerzők 1993-tól különböző típusú és méretű napgyújtók és naptűzhelyek kutatásával foglalkoztak. Kísérletezéseink során az EGER-1100 típusú naptűzhely bizonyult a legsikeresebbnek. Az Életfa Környezetvédő Szövetség támogatásával készített naptűzhely 1,1 m átmérőjű ofszet parabolaantennára felvitt öntapadós alumíniumfóliával készült. A készülék állványa a Nap irányába fordítható, tengely körül dönthető szerkezet. Az ofszet rendszerű parabolaantenna geometriai adatai a 4. ábrán láthatók.

Mivel az alapul használt parabolaantenna ofszet rendszerű, ezért a tükör Napra állításához a teljes rendszert nem kell túlságosan megdönteni, illetve ha a főzendő étel a főzőedényből "kifut", kifröccsen, az nem a tükröző felületre ömlik.

A naptűzhellyel végzett mérések alapján a tűzhely hatásfoka 40-45% körüli. Ez azt jelenti, hogy 1000 W/m² sugárzási teljesítmény mellett a tűzhely 400-450 W teljesítményű, a fókuszpontban elért legmagasabb hőmérséklet 625 °C volt.

Az EGER-1100 naptűzhellyel bemutatkoztunk a Vásár Agriában Nemzetközi Kiállítás és Vásáron 4 alkalommal és az EGERFOOD '97 Nemzetközi Élelmiszeripari Szakvásáron. A kiállításokon az érdeklődők között több mint 100 liter gyümölcsteát és 20 kg főtt virslit osztottunk szét.

Az EGER-1100 naptűzhelyt energiatakarékossági vándorkiállításon is szerepeltettük, így több magyar nagyvárosba is eljutott. A kiállított naptűzhelyhez az 5. ábrán látható leírást mellékeltük.

A naptűzhelyet három módon kívánjuk továbbfejleszteni:

1. Nagyobb átmérőjű felület alkalmazásával nagyobb teljesítmény és magasabb hőmérséklet elérése.
2. Kombinált nap-gáz tűzhely készítése.
3. A naptűzhely szétszedhetővé, összecsukhatóvá és szállíthatóvá alakítása, ily módon alkalmassá tétele kempingezési célokra.

V. Napkollektorok

A kollektorokban elnyelt napenergia használati melegvíz előállítására is alkalmas. Amennyiben a hőenergiát egy hőcserélőn keresztül egy lakás fűtőkör-hálózatába juttatjuk, a napenergia felhasználásával a fűtési energiaköltségek mérsékelhetők. A viszonylag magas beruházási és üzemeltetési költségek megtérülését azonban akadályozza a gyenge és változó téli napbesugárzás. Ezért kívánunk foglalkozni e téma helyi vizsgálatával is.

Izrael nem bővelkedik ásványokban, de fejlett ipari és tudományos technológiával ellensúlyozza ezt a hiányt. Irodalmakból tudjuk, hogy a napenergia felhasználásának kutatása Izraelben világszínvonalon áll. Az ottani kutatásokra, mérésekre és alkalmazásokra sok szerző hivatkozik. Több szerző állítja, hogy Izraelben a lakóházak használati melegvizének előállításához szükséges hőenergia 60%-át napenergiából nyerik.

Tapasztalatunk, hogy Jeruzsálemben a napenergia hasznosításának adottak a feltételei: magas a napsütéses órák száma, nagy az évi globálsugárzás értéke. A levegő szennyezettsége minimális, ezért fényelnyelő-képessége kicsiny.

A napkollektorok alkalmazása Jeruzsálemben azért is nagyon elterjedt, mert a városban rendelet írja elő, hogy minden nyolc emeletnél alacsonyabb házra napkollektort kell felszerelni.

Jeruzsálem három olyan szaküzletében jártunk, ahol napkollektorokat árusítottak tartozékaikkal.

A napkollektor üvegfedelű, nem nagyon hőszigetelt, fémlemezből készült ládában lévő fekete fémcső-kígyóból vagy párhuzamosan szerelt csőrendszerből áll.

Az általánosan elterjedt 1,8 m² felületű kollektorok tömege 90 kg, melegítő csöveinek aktív térfogata 1,8 l.

A napkollektorokhoz használt, hőcserélővel ellátott napbojlerek leggyakrabban 180 literesek. A kiegészítő villanybojlerek mérete 10 litertől 200 literig változik. Elektromos teljesítményük 2,1 kW (220 V).

A jeruzsálemi lakóházak legtöbbje lapos tetős. Az ezeken felszerelt napkollektorok üvegfelülete a vízszintessel 30-60°-os szöget zár be. Láttunk olyan napkollektorokat is, amelynek a dőlésszöge változtatható az évszaknak megfelelően (a napmagasság télen 31°, nyáron 86°). A ferde tetőre felszerelt kollektorok dőlése megegyezett a tető dőlésével. A fizikai behatások ellen a kollektor fölé szerelt fémhálóval védekeznek.

A legelterjedtebb összeállításban két (esetenként egy vagy három) síkkolektor van párhuzamosan kapcsolva. A kollektor-rendszerhez egy hőcserélővel ellátott napbojler és egy elektromos fűtésű melegvíztároló tartozik. A napbojler a kollektor felső része fölött 10-20 cm-re helyezkedik el, és annak a tetején van a melegvíztartály (6. ábra). A rendszernek elektronikus vezérlése nincs.

Jeruzsálem egyes - főképp a szegényebb arabok által lakott - kerületeiben hőcserélő nélküli megoldásokat is alkalmaznak. Ezeknél a kollektoron áthaladó víz közvetlenül felhasználásra kerül. Itt tartályként sok esetben fekete műanyaghordót használnak.

A felhasználók elmondták, hogy a 230-590 USA dollár értékű napkollektorok beruházása 3 év alatt megtérül. Egy átlagos család esetében a berendezés az év 10 hónapjában biztosítja a teljes melegvízszükségletet.

Megfigyeléseink, becsléseink és az irodalmi utalások szerint Jeruzsálemben a felszerelt napkollektorok felülete meghaladja a 200 000 m²-t, a vizet melegítő "minierőművek" összteljesítménye az 50 MW-ot is elérheti.

A napkollektorok felállításakor igen lényeges a déli tájolás és a legmegfelelőbb dőlési szög megválasztása. Ehhez ismerni kell a felállítási hely földrajzi koordinátáit és a felállítási helyen átmenő délvonal (meridián) helyzetét.

Az észak-déli irány kitűzésének két egyszerű módszere ismert.

Az első (7/a. ábra) esetben egy függőleges helyzetű rúd köré egyenlően változó sugarú köröket rajzolunk a földre. Délelőtt és délután is megjelöljük azokat a helyzeteket, amikor a rúd árnyékának végpontja valamelyik körre esik. A nap végén összekötjük az azonos körökhöz tartozó délelőtti és délutáni jelöléseket. A szakaszok felezőpontjait és a rúd végpontját összekötve kapjuk az észak-déli irányt.

A második (7/b. ábra) módszer esetében ismernünk kell a helyi dél pontos idejét - ez csillagászati évkönyvekből meghatározható. Szintén egy földbe szúrt rúd árnyékának végpontját kell megjelölni pontosan a helyi dél idejében. A jelölés és a rúd végpontja adja az észak-déli irányt. Ez a mérés azonban az előzőnél sokkal pontatlanabb.

Mindkét módszerrel egy nap alatt használható eredményt kapunk, azonban igazán pontos észak-déli irányt kijelölni csak több napon, az év különböző időszakaiban végzett méréssel lehetséges.

Miután ismerjük az észak-déli irányt a földbe szúrt rúd már alkalmas a földrajzi helyzet meghatározására is. Ehhez ismernünk kell egyrészt a helyi dél idejét, valamint a rúd és a rúd árnyékának hosszát.

A földrajzi hosszúság a

képlettel számolható, ahol T a Budapestre vonatkoztatott helyi dél ideje (csillagászati évkönyvből kereshető ki), T' az adott hely helyi dele (az az időpont, amikor a rúd árnyéka a délvonalra esik).

A földrajzi szélesség a

képlettel határozható meg, ahol a a rúd hossza, b az árnyék hossza, d pedig a nap deklinációja (csillagászati évkönyvből kereshető ki). Amennyiben a mérést az év több időszakában is elvégezzük, a földrajzi helyzet nagy pontossággal meghatározható.

Ezek után napkollektorunkat már megfelelően tájolhatjuk. A déli tájolás feltétlenül fontos, a dőlésszöget pedig a napkollektor hatásfoka és a földrajzi szélesség határozza meg. Minél nagyobb a napkollektor hatásfoka, annál kisebb dőlésszöget választhatunk, hogy a tavaszi és őszi napsütést is ki lehessen használni. Magyarországon a napkollektorok dőlésszöge általában 40-70° között változik.

VI. Naperőművek

A naperőművekben MW nagyságrendű teljesítményeket állítanak elő. Tükröket félkör alakban úgy helyeznek el, hogy azok a visszaverődő sugarakat egy magas betontoronyra gyűjtsék össze. Az ott elhelyezett vízzel telt csövekben nagynyomású gőz keletkezik, amivel áramfejlesztőket lehet működtetni. A naptorony-erőművek tükörrendszere álló vagy mozgatható tükrökből áll.

Naptorony-erőművek működnek az USA-ban, Kaliforniában, Mexikóban, Izraelben, Franciaországban, Németországban és Japánban. Az erőművek toronymagassága 60-450 m között változik. A tükrök száma 100-2000. A tükröző felületek nagysága 1000 m²-1,6 km², teljesítményük 60 kW-tól 500 MW-ig terjed.

Vályú alakzatú, vonalfókusz-kollektorokkal az USA-ban és Kairóban 2,5-100 MW-os naperőműveket üzemeltetnek.

5 MW-os sóstó energiatároló és átalakító naperőműveket 1984. óta működtetnek az USA-ban és Izraelben.

Napenergiával hidrogént is előállítanak technoló