mit sütünk ki mára ?! (napenergia és a fizika) dr. seres istván...

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

[email protected]. Seres István, SZIE FFT

Környezetvédelem:

Széndioxid

kibocsátás

3



Környezetvédelem:

Megújuló energiaforrások

•Napenergia

•Szélenergia

•Vízenergia

•Geotermikus energia

•Biomassza

4



Nap energia energiatermelése

Fúzió:

•Milyen folyamat

•Fajlagos

energiatermelés

•Mennyivel

csökken a Nap

tömege emiatt?

•Meddig sugároz?

5



Atommag fizika

6



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



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



e ~ 4,5·10-12 J


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 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




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



Nap energia kibocsátása

Hőterjedési formák:

•Hővezetés

•Hőáramlás

•Hősugárzás

12



Nap energia kibocsátása - hősugárzás

.állTmax

Fekete test sugárzás

Wien törvény:

Stefan-Boltzmann

törvény:

4TE

13




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




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




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 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



Az energia terjedése – elektromágneses hullám

c

E

B

18



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 Földre felszínre lejutó energia

A légkör hatása:

•Miért piros a Nap naplementekor?

•Miért kék az ég?

A fény szóródik a levegő részecskéken.

20



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



Napenergia hasznosítása

•Napkollektoros rendszerek

•Fotovillamos rendszerek (napelem)

•Passzív napenergia-hasznosítás

(épületek)

22



Napkollektoros rendszerek

•Sugárzás elnyelése, visszaverése

•Felületi hőátadás

•Hőszigetelés

•Folyadékok áramlása

23




1, Napkollektor

2, csővezeték

3, Melegvíz tároló

4, kazán

24




üveglap

Abszorber

lemez

hőszigetelés

• kalorimetria: bejövő energia mekkora t-t okoz

• hőfelvétel, hővezetés: abszorber lemez szerepe

• üvegházhatás

25




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




Hőveszteség kiküszöbölése (téli használat)

27




Képek

28




Képek

29




Képek

Szolártároló500 l

T6

T3

T2

Villanybojler

Szabályozó

Szivattyúegység

2db 2x2 m -eskollektor

2

T4 T5

HMV

I1

T1

v1

v2

.

.

150 l

30




Képek

31



Fotovillamos rendszerek

Fény energiájának elektromossággá konvertálása

• Fotoeffektus

• Félvezető eszközök (napelemek)

• Közvetett átalakítás

(sugárzás – hő – elektromos energia)

32




Fotoeffektus

Foton fémlemez

e

2

ki mv2

1Whf

Einstein egyenlet:

33




Fotoeffektus

Fotocella:

Légritkított térfény

fotokatód

34




Félvezetők

Germánium, szilícium: négy vegyértékű atomok

Si Si SiSi

Si Si SiSi

Si Si SiSi

Tiszta félvezető

(hőmérséklet

növekedés

hatására az

ellenállása

csökken)

35




Félvezetők

Szennyezett félvezetők

Si Si SiSi

Si P SiSi

Si Si SiSi

n típusú félvezető

(5 vegyértékű

szennyezés)

foszfor atom

szabad elektron

36




Félvezetők

Szennyezett félvezetők

Si Si SiSi

Si B SiSi

Si Si SiSi

p típusú félvezető

(3 vegyértékű

szennyezés)

bór atom

elektron hiány (lyuk)

37




+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+ -E

U

Félvezetők – pn átmenet - dióda

n p

38





+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+ -E

+ -Ekülső

Záró-irányú kapcsolás

(a Ekülső hozzáadódik E-hez)

39





+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+ -E

- +Ekülső

Nyitóirányú kapcsolás

(a Ekülső gyengíti E-t)

40




Félvezető napelem

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

foton

- +

Speciális dióda:

egyik réteg

nagyon vékony,

hogy a fény

átjusson rajta

p

-

+

n

41



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



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




MÉRÉSEK – I-V KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS

44



Fotovillamos rendszerekMÉRÉSEK – I-V KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS

A

V

R

45




I-V KARAKTERISZTIKA MÉRÉS

46





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





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



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



Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT

50




51




52




Szolár-bőrönd

53



Fotovillamos rendszerek: OFF - GRID

54




55



Passzív napenergia hasznosítás (építészet):

Transzparens

szigetelés

56



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 [email protected]. Seres István, SZIE FFT


mit sütünk ki mára ?! (napenergia és a fizika) dr. seres istván...

Documents