Napkollektorok és napenergia

Napenergia elméleti háttere
A Földön az élet a Nap energiájának köszönheti létét. Földünk hideg és sötét bolygó lenne a Nap sugarai nélkül. A Napból érkező energia az egyetlen jelentős energiaforrás a Földön, tehát minden, ami mozog, működik, él, történik, a Nap energiájának köszönheti ezt. Gondolj bele! Ülsz, és olvasod ezt a szöveget, eközben szemed ide-oda jár a sorokon, ereidben áramlik a vér, amit szíved ütemesen pumpál, eközben kint az utcán rohannak az autók, repülnek a madarak, fúj a szél és mindez a Nap energiájának köszönhető. A Nap csak egy csillag a sok közül, amely pusztán azért látszik olyan fényesnek, mert rendkívül közel van hozzánk. Ha ugyanolyan távol volna, mint a második legközelebbi csillag, az Alfa Centauri, semmivel sem volna különb, mint a többi fényes csillag. Eltekintve a bolygórendszerünkben elfoglalt középponti helyétől, nincs semmi olyan különös ismertetőjele, amely megkülönböztetné a Tejútrendszer sokmilliárdnyi hasonló csillagától. A földlakók szempontjából természetesen rendkívül fontos szerepet játszik a Nap, mivel az élethez elengedhetetlenül fontos meleg és fény forrása.

A Nap alapadatai
A Nap a Naprendszer legnagyobb tagja, egy plazmaállapotú, sugárzó gömb
átmérő: 1.390.000 km
tömeg: 1.989e30 kg
a mag hőmérséklete: 15.000.000 oK.
felszíni hőmérséklet: 5800 oK
A Napban a Naprendszer tömegének 99,87%-a koncentrálódik. Átmérője a Földének 109, míg a Jupiterének közel 10-szerese. Óriási tömege révén a Nap hatalmas gravitációs erőt fejt ki. Ez az erő tartja együtt a naprendszert, és irányítja valamennyi bolygó és kisebb égitest mozgását is. A Nap energiája elsősorban közeli ibolyántúli, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett a Nap kisebb mennyiségben mindenféle más sugárzást is kibocsát, a gamma- és röntgensugaraktól egészen a rádióhullámokig. A Nap elemi részecskéket is kisugároz, amelyet napszélnek nevezünk. A Napból másodpercenként kisugárzott energia teljes mennyiségét a Nap sugárzási teljesítményének nevezzük, és ugyanúgy wattban fejezzük ki, mint egy villanykörte teljesítményét. Ez az érték 3.86e26 W. A kisugárzott energiamennyiségnek legfeljebb csak tízmilliárdod része éri el a Földet. A földi légkör 1 négyzetméterére merőlegesen beeső teljesítmény még így is átlagosan 1353 W. Ez a mennyiség a napállandó. A napból érkező energia a Föld energiaszükségletének a 20000 szeresét biztosítja. Még Észak-Európában is, ahol kevés a napsütés, egy egyszintes ház tetejére tízszer annyi energia érkezik mint amennyi szükséges a ház fűtéséhez. Így a megújuló energia források közül a napenergia hasznosítása lehet a legversenyképesebb alternatíva a jelenlegi energiatermelési módokhoz képest. A Földre érkező napenergia egyrészt természeti jelenségekben; szélenergiában, a tengerek energiájában, a légkör és földfelszín felmelegedésében, valamint a víz természetes körforgásában jelentkezik. Másrészt a növények fotoszintézise révén bekerül az élő rendszer energiaáramlásába.

A Nap szerkezete
A Nap középpontjában a hőmérsékletet kb. 15 millió oK-re, a sűrűséget pedig a ránehezedő külső rétegek hatalmas nyomása miatt 160000 kg/m3-re (a víz sűrűségének 160-szorosára) becsülik. A Nap rádiuszának mintegy egynegyedéig terjedő központi mag fúziós atomerőműként működik, ahol az energia nagy energiájú fotonok, így gamma- és röntgensugárzás formájában szabadul fel a könnyebb elemek nehezebbekké való egyesülése közben. A Nap magjában lejátszódó fúziós folyamatban proton-proton reakció zajlik le, melynek során hidrogénatomok magjai (vagyis protonok) egyesülnek, és héliumatommagok jönnek létre. Minden reakcióban 4 proton egyesül egy-egy héliummaggá, kettő pedig átalakul neutronná. Minden reakcióban egy kicsiny tömeg energiává alakul át az E=mc2 képletnek megfelelően. Bár az egyes proton-proton reakciókban a tömegnek csak 0,7%-a alakul át energiává, a lejátszódó nagy számú reakciók miatt a Nap másodpercenként 4 millió tonna anyagot használ fel fényerejének megtartására. Az óriási anyagvesztés ellenére a Nap még a mostanihoz hasonló szinten 5 – 6 milliárd évig sugározhat. Nap magját kb. a sugár 70%-áig a röntgensugárzási zóna veszi körül. Ebben a tartományban a fotonok gyakran ütköznek, elnyelődnek, majd véletlenszerűen kisugárzódnak. Egy-egy fotont oly sokszor érik ilyen megpróbáltatások, hogy legkevesebb tízezer, de akár 1 millió évig is eltarthat mire a felszínre ér. A Nap felszínközeli külső, 25 – 30%-ot kitevő részében nagyarányú konvekció zajlik. A hő az anyag áramlása révén jut el a fotoszférába, majd onnan sugárzódik ki a világűrbe. Ezt a réteget konvektív zónának nevezik. A Nap átlagos sűrűsége (1410 kg/m3) a Föld átlagos sűrűségének csak egynegyede, a víz sűrűségének pedig 1,4-szerese, ami azt sugallja, hogy a Napot főként könnyebb kémiai elemek alkotják: 73% hidrogén, 25% hélium, 2%-ban pedig nehezebb elemek. A Nap gyorsabban forog az egyenlítőjénél mint a pólusokon. Az egyenlítőn mért forgási periódus 25 nap, a sarkok közelében 35 nap.

A Nap légköre
A Nap “látható” felszíne a fotoszféra, amely vékony gáznemű réteg s gyakorlatilag az összes napfény ebből származik. A fotoszféra hőmérséklete mintegy 5800 oK. A fotoszféra fölött a pár ezer kilométer vastag ritkább réteg, a kromoszféra helyezkedik el. A kromoszférában a fotoszféra fölött néhány száz kilométer magasban a hőmérséklet 4300 oK-re csökken. Ezután a hőmérséklet gyorsan nő addig az átmeneti rétegig, amelyik a kromoszférát, a Nap legkülső rétegét a koronától elválasztja. A korona a Nap rádiuszát többszörösen kitevő távolságig terjed, hőmérséklete 1 – 5 millió oK között van. A kicsiny sűrűségű korona belsejében a részecskék mozgása igen nagy. A korona túl halvány ahhoz, hogy speciális eszközök nélkül látni lehessen, ami alól kivétel a teljes napfogyatkozás ideje, amikor a holdkorong legfeljebb néhány percre takarja el a fotoszféra vakító fényét. Ezt legutoljára Magyarországon 1999. augusztus 11 -én lehetett látni. A koronából áramlanak ki azok a részecskék amiket napszélnek nevezünk. Nap fehér fénye színképnek (spektrumnak) nevezett színes fénysávra bontható a vöröstől a kékig és az ibolyáig. A látható spektrum pontosan olyan, mint a szivárvány, mert a levegőben lebegő vízcseppek fénytörő prizmaként bontják színeire a napfényt. A prizmával előállított spektrum színeiről először Newton mutatta ki, hogy további színekre már nem bonthatók. A napfény folyamatos színképében több ezer abszorpciós vonal található. Az abszorpciós vonalak ujjlenyomatként jellemzőek a Nap mélyebb légkörében található kémiai elemekre.

Definició: A Napban lejátszódó magfúziós folyamatok során keletkező energia. Ennek az energiának egy része 3,8 x 1026 J s-1 sugárzási teljesítménnyel szétsugárzódik a Napot körülvevő térbe. A Föld Naptól való távolságának megfelelően a terjedési irányra merőleges síkban a napsugárzás energiaáramának sűrűsége a napállandó S° = (1370 ? 8) J s-1m-1. Ez azt jelenti, hogy a Föld keresztmetszeti felületének a teljes felülethez való viszonya alapján a Föld felületegységére az atmoszféra felső határán globális mértékben S°/4 = 342 J s-1 m-2 jut.