mit sütünk ki mára ?! (napenergia és a fizika) dr. seres istván...
Post on 07-Feb-2020
0 Views
Preview:
TRANSCRIPT
SZIE FFT
Mit sütünk ki mára ?!
(Napenergia és a Fizika)
Dr. Seres István
SZIE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék
2
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Környezetvédelem:
Széndioxid
kibocsátás
3
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Környezetvédelem:
Megújuló energiaforrások
•Napenergia
•Szélenergia
•Vízenergia
•Geotermikus energia
•Biomassza
4
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Nap energia energiatermelése
Fúzió:
•Milyen folyamat
•Fajlagos
energiatermelés
•Mennyivel
csökken a Nap
tömege emiatt?
•Meddig sugároz?
5
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Atommag fizika
6
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Hélium atommag (a részecske):
2 proton + 2 neutron
Tömeg-deffektus:
0)m2m2(mm np a
ma = 6,6447·10-27 kg,
mp = 1,6727·10-27 kg,
mn = 1,6749·10-27 kg,
Atommag fizika
7
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
tömegdeffektus:
)m2m2(mm np a
Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia elv:
Kötési energia:
e = mc2 = -5·10-29·(3·108)2
e = 4,5·10-12 J = 2,8·107 eV = 28 MeV·
(1 eV = 1,6·10-19 J)
A látszólag eltűnő tömeg energiává alakul!
= -5·10-29 kg
Atommag kötési energiája
8
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
e ~ 4,5·10-12 J
Atommag kötési energiája
Mennyi energia lenne kinyerhető 1 vödör
vízből ha magreakcióval belőle a hidrogént
héliummá alakítanánk?
M(H2O) = 18 g/mol = 2 g/mol H + 16 g/mol O.
A víz tömegének 2/18-ad része, vagyis
1/9-ed része hidrogén.
9
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Atommag kötési energiája
A víz tömegének 2/18-ad része, vagyis
1/9-ed része hidrogén.
1 vödör vízben > 1 kg hidrogén
1 kg H = 1000 mol proton
500 mol p+ + 500 mol n 250 mol He
10
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Atommag kötési energiája
250 mol He kötési energiája:
E = N·e = 250·6·1023·4,5·10-12 = 6,75·1014 J.
1 kg koksz égéshője: 30 MJ/kg = 3·107 J/kg.
1 vödör víz hidrogénjének fúziós energiája kb.
2,25·107 kg = 22 500 tonna koksz
elégetésének megfelelő energiát termel.
11
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Nap energia kibocsátása
Hőterjedési formák:
•Hővezetés
•Hőáramlás
•Hősugárzás
12
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Nap energia kibocsátása - hősugárzás
.állTmax
Fekete test sugárzás
Wien törvény:
Stefan-Boltzmann
törvény:
4TE
13
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Nap energia kibocsátása
mK10884,2T 3
max
Wien törvény:
Innét T~5800 Kmax = 0,5 mm = 5·10-7 m,
infralátható
ultraibolya
Spektrum a légkörön kívül
Spektrum a Földfelszínen
kis energiaNagy energia
hullámhossz (mm)
14
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Nap energia kibocsátása
Innét az 1 s alatt kisugárzott teljesítmény:
Stefan-Boltzmann törvény
Kibocsátott energiasűrűség:
4TE E = 5,67·10-8·58004
E = 6,42·107 W/m2
A Nap felülete:
A = 4·R2·p = 4·(7·108)2·p = 6,16·1018 m2
P = E·A = 4·1026 W
15
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Nap energia kibocsátása
Innét az 1 s alatt kisugárzott összes energia:
P = E·A = 4·1026 W
1 He atommag keletkezésekor:
m = 5·10-29 kg e=4,5·10-12 J energia.
1 s alatt N = 8,9·1037 reakció, azaz
m·N = 5·10-29·8,9·1037 = 4,4·109 kg
Tehát 1 s alatt kb. 4,4 millió tonna !
16
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
A Földre eljutó energia
P = 4·1026 W
Rp
A Föld Nap körüli keringésének pályasugara:
Rp = 1,5·1011 m.
A Föld távolságában az egységnyi felületre
jutó teljesítménysűrűség:
2m
W1397
A
PE
17
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Az energia terjedése – elektromágneses hullám
c
E
B
18
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
A Földre felszínre lejutó energia
2m
W1397E A légkörön kívül:
Ennek a légkör egy részét:
•visszaveri 35 %
•elnyeli 17 %
•átengedi 48 %
(31% direkt, 17% diffúz)
100 %
19
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
A Földre felszínre lejutó energia
A légkör hatása:
•Miért piros a Nap naplementekor?
•Miért kék az ég?
A fény szóródik a levegő részecskéken.
20
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napenergia potenciálA vízszintes felületre érkező napi globál sugárzás összegek havi középértéke augusztusban Európában
Forrás: Ecole des Mines de Paris, Centre d'Energétique, Groupe Télédétection & Modélisation, http://www.helioclim.net
21
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napenergia hasznosítása
•Napkollektoros rendszerek
•Fotovillamos rendszerek (napelem)
•Passzív napenergia-hasznosítás
(épületek)
22
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
•Sugárzás elnyelése, visszaverése
•Felületi hőátadás
•Hőszigetelés
•Folyadékok áramlása
23
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
1, Napkollektor
2, csővezeték
3, Melegvíz tároló
4, kazán
24
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
üveglap
Abszorber
lemez
hőszigetelés
• kalorimetria: bejövő energia mekkora t-t okoz
• hőfelvétel, hővezetés: abszorber lemez szerepe
• üvegházhatás
25
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
Forrás: Hoval
0,00009 mm kvarc
0,00006 mm Tinox
0,2 mm réz
Télen ~16%, egész évre ~10% energiahozam növekedés
síkkollektor Tinox szelektív bevonattal
26
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
Hőveszteség kiküszöbölése (téli használat)
27
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
Képek
28
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
Képek
29
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
Képek
Szolártároló500 l
T6
T3
T2
Villanybojler
Szabályozó
Szivattyúegység
2db 2x2 m -eskollektor
2
T4 T5
HMV
I1
T1
v1
v2
.
.
150 l
30
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Napkollektoros rendszerek
Képek
31
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Fény energiájának elektromossággá konvertálása
• Fotoeffektus
• Félvezető eszközök (napelemek)
• Közvetett átalakítás
(sugárzás – hő – elektromos energia)
32
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Fotoeffektus
Foton fémlemez
e
2
ki mv2
1Whf
Einstein egyenlet:
33
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Fotoeffektus
Fotocella:
Légritkított térfény
fotokatód
34
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Félvezetők
Germánium, szilícium: négy vegyértékű atomok
Si Si SiSi
Si Si SiSi
Si Si SiSi
Tiszta félvezető
(hőmérséklet
növekedés
hatására az
ellenállása
csökken)
35
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Félvezetők
Szennyezett félvezetők
Si Si SiSi
Si P SiSi
Si Si SiSi
n típusú félvezető
(5 vegyértékű
szennyezés)
foszfor atom
szabad elektron
36
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Félvezetők
Szennyezett félvezetők
Si Si SiSi
Si B SiSi
Si Si SiSi
p típusú félvezető
(3 vegyértékű
szennyezés)
bór atom
elektron hiány (lyuk)
37
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+ -E
U
Félvezetők – pn átmenet - dióda
n p
38
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Félvezetők – pn átmenet - dióda
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+ -E
+ -Ekülső
Záró-irányú kapcsolás
(a Ekülső hozzáadódik E-hez)
39
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Félvezetők – pn átmenet - dióda
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+ -E
- +Ekülső
Nyitóirányú kapcsolás
(a Ekülső gyengíti E-t)
40
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
Félvezető napelem
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
foton
- +
Speciális dióda:
egyik réteg
nagyon vékony,
hogy a fény
átjusson rajta
p
-
+
n
41
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Három határréteges amorf Szilícium (a-Si) cella keresztmetszete.
Mindegyik cella egy megadott spektrum tartományra érzékeny.
TCOp
in
Kékre érzékeny cella
Zöldre érzékeny cella
Pirosra érzékeny cella
Visszaverő réteg
hordozóanyag
Rövid fényhullámhossz
Közepes fényhullámhossz
Hosszú fényhullámhossz
p
inp
in
Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
42
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Egy három határréteges cella spektrális érzékenysége
1.0
0.4
0.2
0
0.6
0.8
400300 500 600 700 800 900
Rela
tív i
nte
nzit
ás
hullámhossz [nm]
Három határréteges cella
spektrális érzékenysége
Kékre érzékeny
cella
zöldre
érzékeny
cella
Vörösre
érzékeny
cella
Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
43
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
MÉRÉSEK – I-V KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS
44
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerekMÉRÉSEK – I-V KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS
A
V
R
45
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
I-V KARAKTERISZTIKA MÉRÉS
46
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
MÉRÉSEK – I-V KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 5 10 15 20 25 30
voltage [V]
curr
ent
[A]
feszültség (V)
ára
m (
A)
47
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
MÉRÉSEK – I-V KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 5 10 15 20 25 30
voltage [V]
cu
rre
nt [A
]
UMPP = 20,9 V,
IMPP = 3,2 A,
Pmax = 67,4 W
feszültség (V)
ára
m (
A)
Maximális teljesítmény munkapont
48
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerekMÉRÉSEK – CELLA ÁRNYÉKOLÁS HATÁSA
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 5 10 15 20 25 30
voltage [V]
cu
rren
t [A
]
feszültség (V)
ára
m (
A)
49
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT
50
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT
51
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT
52
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT
Szolár-bőrönd
53
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek: OFF - GRID
54
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Fotovillamos rendszerek
55
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Passzív napenergia hasznosítás (építészet):
Transzparens
szigetelés
56
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
Kísérlet a légkör hatására
Egy üvegpohár vízbe tegyünk egy evőkanál
tejet, és oldalról világítsuk át zseblámpával.
A túloldalt kilépő fény pirosas lesz, még
oldalirányból kékes derengést látunk.
(A fény szóródik a vízben oldott tej
zsírmolekuláin.)
Köszönöm a figyelmet!
57 Seres.Istvan@gek.szie.huDr. Seres István, SZIE FFT
A napenergia és a FizikaSZIE FFT
top related