Napkémény
A napkémény egy újfajta, kísérleti hőerőmű. Létesítésekor nagy földterületet kör alakban, átlátszó tetővel fednek be, amely a közepe felé enyhén emelkedik, ez az úgynevezett kollektor. Középen egy magas torony található, ez a napkémény. Napsütés hatására a tető alatt a levegő (mint az üvegházban) felmelegszik, és a kéményen át felszáll. Eközben az áramló levegő turbinát hajt meg. A turbinához generátor csatlakozik, mely a mozgási energiát villamos energiává alakítja. Ha azt szeretnék, hogy a légáram éjjel se álljon le, a tető alatt a talajra vízzel teli, fekete csöveket fektetnek, melyek nappal felmelegszenek, éjjel pedig leadják az elnyelt hőt.
A napkémény prototípusát három éven át tesztelték Manzanaresben, Spanyolországban. A kollektorának átmérője \(240\ \mathrm{m}\), felülete \(46\ 000\ \mathrm{m^2}\), a kémény magassága \(195\ \mathrm{m}\) volt. Átlagos teljesítményének értéke \(50\ \mathrm{kW}\) volt. Ha a turbina és a generátor üzemelt, a kéményben a légáram sebessége \(8\ \mathrm{\displaystyle\frac{m}{s}}\), ha a turbina állt, akkor \(15\ \mathrm{\displaystyle\frac{m}{s}}\) volt. Egy nagy teljesítményű, gáztüzelésű vagy nukleáris erőmű kiváltására alkalmas napkéményhez \(7000\ \mathrm{m}\) kollektorátmérőre és \(1\ \mathrm{km}\) magas toronyra volna szükség, olyan területen, ahol a napsugárzás egész évben erős.
a) Miért az ábrán nyilakkal jelzett irányba mozog a kollektor teteje alatt, illetve a kéményben a levegő, ha süt a nap?
A meleg levegő ritkább (kevésbé sűrű), mint a hideg, ezért (a felhajtóerő hatására) felfelé száll a kéményben, a kollektorban pedig a levegő a kéményben felszálló levegő helyére áramlik.
a) A levegőáramlás irányának indoklása:
4 pont
(bomtható)
A meleg levegő ritkább (kevésbé sűrű) (2 pont), mint a hideg,
ezért (a felhajtóerő hatására) felfelé száll (1 pont) a kéményben,
a kollektorban pedig a levegő a kéményben felszálló levegő helyére áramlik (1 pont).
(A felhajtóerő explicit említése nélkül is jár a pont.)
b) Miért más az áramló levegő sebessége a kéményben bekapcsolt, illetve kikapcsolt turbina és generátor esetén?
A turbina és a generátor az áramló levegő energiáját alakítja elektromos energiává, tehát amikor működnek, elveszik a levegő mozgási energiájának egy részét, a levegő lelassul.
b) A sebességkülönbség okának meghatározása:
4 pont
(bontható)
A turbina és a generátor az áramló levegő energiáját (2 pont) alakítja elektromos energiává,
tehát amikor működnek, elveszik a levegő mozgási energiájának egy részét, a levegő lelassul (2 pont).
c) A turbinák éjszakai működtetésére, a hőtárolásra miért érdemes vízzel teli csöveket használni? Miért festik a csöveket feketére?
A víz fajhője nagy, ezért alkalmas hőtárolásra.
A feketére festett felületek a rájuk eső napsugárzást (gyakorlatilag) elnyelik.
c) Az éjszakai hőtárolás körülményeinek elemzése:
4 pont
(bontható)
A víz fajhője nagy (2 pont), ezért alkalmas hőtárolásra.
A feketére festett felületek a rájuk eső napsugárzást (gyakorlatilag) elnyelik (2 pont).
d) Határozza meg, hogy hány \(1200\ \mathrm{W}\)-os vízforraló kancsót lehetett volna a manzaresi napkémény segítségével egyszerre üzemeltetni, amikor az maximális teljesítménnyel működött!
\(41,67\to41\ \mathrm{db}\)
d) Az egyszerre üzemeltethető vízforralók számának meghatározása:
3 pont
(bontható)
\[N_{\mathrm{max}}=\frac{P_{\mathrm{max}}}{P_{\mathrm{forraló}}}\]
\[\frac{50\ \mathrm{kW}}{1,2\ \mathrm{kW}}=41,67\to41\ \mathrm{db}\]
(Az érték törtszámként való megadása, illetve 42-re kerekítése esetén az utolsó pont nem jár!)
Összesen: 15 pont