Ifjúsági Tudományos és Innovációs Tehetségkutató Verseny
A hőlégmotoros napkollektor rendszer nemzetközi szinten is sikert aratott
Kecsenovity Egon, a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar anyagmérnöki szakának hallgatója nemcsak itthon, de Angliában is sikert aratott. Egyedüli magyar résztvevője volt az 54. London International Youth Science Forumnak, ahol az egész világról összegyűlt több száz hallgató közül a legjobb tíz közé választották. Így nemcsak poszteren, de egy 350 fős előadóteremben is bemutathatta a 20. Ifjúsági Tudományos és Innovációs Tehetségkutató Versenyen harmadik díjjal elismert újítását. A fiatal feltaláló londoni útját a Magyar Innovációs Szövetség, a Szegedi Tudományegyetem és a Balassi Bálint Intézet támogatta.
Az energiaválság nem új keletű probléma; az utóbbi évtizedekben a világ egyik legnagyobb gondja az energia nem megfelelő kihasználása lett, és az ehhez kapcsolódó bajok nőttön nőnek. Az energiaválság megoldására irányuló kutatások több területen folynak – ilyen kutatási téma például a hatékony energiaforrások kifejlesztése, a már meglévő energiaforrások hatékonyságának növelése, energiatakarékosság az ipari területeken, hulladékenergiák visszatermelése, valamint az energia olcsó és könnyű szállíthatósága.
Kecsenovity Egon ez irányú kutatásait egy véletlen felismerés indította el, amikor elment megtekinteni egy ismerőse új napkollektor rendszerét. Egon korábban azt hitte, a napkollektoros rendszerek teljesen önállóak, nem függnek külső energiaforrástól. Miközben a büszke tulajdonos magyarázta, hogy és mint működik a rendszer, szöget ütött Egon fejébe a meleg vizet forgató szivattyú szükségessége. Tudható, hogy a meleg víz sűrűsége kisebb, mint a hideg vízé, ezért felfelé áramlik. A napkollektor a ház tetején van, ezért ha a meleg vizet lefelé akarjuk vezetni, szivattyúra van szükség. Mi történik akkor, ha az elektromos szivattyú leáll, vagy azért, mert elromlik, vagy azért, mert nem kap áramot? A meleg víz fent marad a napkollektorban, az épületben pedig át kell kapcsolni a vízmelegítőt gáz alapú fűtésre.
A manapság elterjedt napkollektor rendszerek felépítése a következő: a szabadban elhelyezett kollektor felveszi a nap hőjét és átadja a rajta átkeringetett folyadéknak. A készülékben többnyire nem tiszta víz, hanem fagyálló és víz keveréke kering. A folyadékot egy szivattyú forgatja. A napkollektorból a folyadék egy hőcserélőbe kerül (ez lehet akár a vízmelegítő tartály is), ahol a meleg folyadék átadja a hideg víznek a nap melegét. A víz forgatását egy automatika irányítja.
TZS: A kutatásaihoz tehát megvolt a kiindulópont: a működő rendszerek ismerete. Hogyan gondolkodott tovább, milyen úton kell elindulnia?
KE: A következőkben megvizsgáltam, az energia milyen formában van jelen egy napkollektor rendszer körül, és mennyire oldható meg ezek kihasználhatósága. Vegyük ezeket sorba: a napkollektornál van napfény, a napsütésből hő termelődik, és a tetőn el lehet helyezni egy mini szélturbinát. Ezek azok a megújuló energiák, amelyek a tetőn „megtalálhatók”. Ha van napfény, akkor a napelemekkel elő lehet állítani elektromos energiát, ami akár meg is hajthatja a forgató szivattyút. Viszont ha jobban belegondolunk, ez több helyen nem számít olcsó és gazdaságos megoldásnak. A napelemek további helyet foglalnak el a tetőn, ráadásul áruk a jelenlegi piaci árak mellett elég borsos. Számolni kell a nagymértékű energiaveszteséggel, mivel először a fényt alakítják elektromos energiává, ami kis hatásfokú, majd az elektromos energiát mechanikaivá, ahol megint történik energiaveszteség. Ugyanez lép fel akkor is, ha szélenergiát használunk. Bár azt is meg lehet oldani, hogy a mechanikai energia rögtön forgassa a meleg folyadékot a rendszerben, mégsem tökéletes megoldás, mert a szél gyakran egyáltalán nem fúj. A szeles napokon megtermelt energiát el kellene raktározni, erre jó, ha elektromos energiává alakítjuk, amellyel később meghajtjuk a szivattyút. Viszont itt is fellép a napelemnél már említett nagymértékű energiaveszteség, amellyel az egyes energiatípusokat egymásba átalakítjuk.
TZS: És mire hasznosítaná a napsütést?
KE: A tetőn megtalálható energiatípusok közül már csak a napsütésből származó hőenergia maradt kivizsgálatlanul. Ez az az energia, amivel a meleg vizet előállítjuk. A következő a probléma: adott körülbelül 70-80°C-os meleg folyadék, bár a hőmérséklet magasabb is lehet, ha nem vízalapú folyadékot használunk. A meleg folyadékból kell, lehetőleg egy lépésben mechanikai energiát előállítani. Erre a problémára kínálhat megoldást a Stirling-motor, vagyis a hőlégmotor.
TZS: Ki és mikor találta fel a hőlégmotort, és mi ennek a lényege?
KE: Ez a Robert Stirling lelkész által 1816-ban feltalált szerkezet tulajdonképpen egy külsőégésű hőerőgép. A zárt rendszerű motorban a munkát a felmelegedő és lehűlő gáz végzi. A zárt rendszer miatt nem szükségesek szelepek és egyéb nyomásszabályzók, mint például a gőzgépeknél. Mivel a működtető hőforrás a motoron kívül helyezkedik el, így bármilyen üzemanyaggal hajtható, kezdve a föld hőjétől, a szénán át a napenergiáig. Azon kívül, hogy hihetetlenül halk a működése, még egy hatalmas előnye van a belső égésű motorokkal szemben, mégpedig a hatásfoka. A Stirling körfolyamat hőhatásfoka közelítőleg megegyezik a Carnot körfolyamat hatásfokával, mely elméletileg a legjobb. A hatásfok annál jobb, minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség. Viszonylag könnyedén elérhető a 30-40%-os energia felhasználás, míg a régebbi benzinmotorok hatásfoka 20-25%, de a mostani modern benzinmotorok kezdik elérni a 35-40%-ot.
Számomra a Stirling-motor alkalmazása kézenfekvő volt, mivel régebben már foglalkoztam ezekkel a motorokkal. Akkor készítettem egy HTD (high temperature difference), azaz magas hőmérsékletkülönbséggel működő modellt. Mivel most a várható hőmérsékletkülönbség 50°C körül alakul, ezért a HTD modell itt nem alkalmazható, helyette építeni kellett egy LTD (low temperature difference), vagyis alacsony hőmérsékletkülönbséggel üzemelő Stirling-motort.
A konkrét helyzetben körülbelül 50°C-os hőmérséklet különbségünk van. Ki lehet számolni, hogy az elméleti hatásfok már ezen a kis hőmérséklet különbségen is 14%-os, amely háromszor több mint a korabeli gőzgépeké. Ez a hatásfok persze csökken, hiszen főképp a súrlódás következtében veszik el energia, de még így is 10% fölött tud maradni a tervezett gép hatásfoka.
TZS: Hogyan kapcsolódhat a Stirling-motor a napkollektoros rendszerbe?
KE: Van meleg vizünk, amelyet felhasználhatunk, és amelyet mozgatni kívánunk. Az ötlet tehát a következő: a napkollektorból származó meleg folyadék meghajtja az LTD Stirling-motort, ez továbbítja egy pumpába a mechanikai energiát, a pumpa pedig mozgatja a meleg folyadékot. A konstrukció megfelelne a régebben felállított kritériumoknak, miszerint tiszta napenergiával működik, csak egyszer alakítja át az energiát, és önfenntartó, mivel a meleg folyadék folyamatosan szállítaná a hőt a Stirling-motorhoz. A rendszer keringésével megakadályozzuk, hogy a nap által termelt összes hőenergiát a Stirling-motor használja fel, mivel az eljut a hőcserélőbe is. Összefoglalva ez az ötlet kivitelezhetőnek és jónak tűnt, amelyet érdemes kutatni. Ezért indultam el ebbe az irányba.
TZS: Fel is építette a rendszert?
KE: Azt már az elején eldöntöttem, hogy egy működő modellt fogok készíteni, amellyel bemutatható maga az ötlet, lehet vele méréseket folytatni, és az eredményekből lehet következtetni egy nagyobb, akár egész épületet átfogó rendszer működőképességére.
Az első lépés egy LTD motor építése volt. Mint kiderült, ez nehezebb, mint az ember először gondolná. A szerkezet arányaira, a tömítésre, a súrlódás minimalizálására, valamint a kiegyensúlyozásra ilyen kis méretekben nagyon oda kell figyelni. A harmadik kísérlettel jártam sikerrel. Saját magam készítettem a motort és a hozzá való pumpát is, és kigondoltam egy alternatív indítási módot is.
Az elkészült modell segítségével jól bemutatható a hőlégmotoros napkollektor rendszer működőképessége és mérhetők a sajátosságai. A modell csak napenergiát használ, amelyet egyetlen lépésben, tehát nagy hatásfokkal alakít át. A motor a meleg folyadék hőjéből körülbelül 10-15°C hőmérsékletet használ el, a maradék megmarad, és a hőcserélőn át vízmelegítésre felhasználható.
TZS: Tervezi továbbfejleszteni a hőlégmotoros napkollektor rendszert?
KE: A továbbiakban a modellt, azon belül is az LTD Stirling-motort szeretném tökéletesíteni. Az első célomat elértem, tehát létrehoztam az önfenntartó, hőlégmotoros napkollektor rendszer modelljét, a következő cél a rendszer tökéletesítése mindaddig, amíg nem képes legalább fél liter folyadékot 1 méter mélyről pumpálni percenként.
Mivel maguk a napkollektorok egyre kevesebbe kerülnek, ezért a hőlégmotoros napkollektor rendszer gazdaságilag is kifizetődő, mert a Stirling-motor olcsó anyagokból is strapabíróra építhető, és emellett nincs szükség elektromos szivattyúra. Ez olyan helyeken létfontosságú lehet, ahol sokkal gyakrabban van áramszünet, mint Közép-Európában. A Közel-Keleten, vagy más szegényebb országokban különösen nagy jelentőségű lehet ez a rendszer, ahol az elektromos áram hiánya miatt csakis tüzeléssel állítható elő meleg víz, amely sokkal környezetszennyezőbb, mint egy hőlégmotoros napkollektor rendszer működtetése.
TZS: Mit jelent pontosabban, hogy olcsó anyagokból is felépíthető a hőlégmotor?
KE: Az olcsóság sok esetben egész egyszerűen hulladékot, ha úgy tetszik, szemetet jelent. Miután nem tudtam komolyabb összeget invesztálni a fejlesztésbe, a gyakorlatban próbáltam ki, milyen egyszerű, olcsó anyagokból lehet összeállítani a Stirling-motort. Csak néhány példa: a henger alsó és felső része 1 mm vastag sárgaréz lemezből készült, a fala 125 mm átmérőjű PVC cső. A terelődugattyú egy kék színű, habszerű műanyagból készült, amelyet itthon találtam. A munkadugattyú latex gumikesztyűből készült membrán, a forgómechanizmus tengelyét és a terelődugattyú rúdját modellezőboltból származó, 1 mm átmérőjű rugóacélból alakítottam ki.
Sok helyen látni az interneten hulladék anyagokból épített, működőképes napkollektort, mert maga a szerkezet nem bonyolult. Tulajdonképpen ez inspirált arra, hogy a Stirling-motor modelljét szemétből készítsem el. Amikor a harmadik modellem végre megfelelően működött, rögtön arra gondoltam, hogy a gazdaságilag elmaradott térségekben lenne igazán jelentős ez a rendkívül hasznos, nagyon olcsón kivitelezhető, ugyanakkor környezetbarát hőlégmotoros napkollektor rendszer.
Az interjút készítette: Tószegi Zsuzsanna
Kecsenovity Egon előadása a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalában
Segesvári Csaba: Egon Londonban is bemutatta napkollektorát. Délmagyar, 2012. szeptember 17.
RSS
