A napenergia-hasznosítás alapjai

Átírás

1 G03 elıadás A napenergia-hasznosítás alapjai Werner Roth Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Freiburg, Germany

2 Tartalom G03 - A napenergia-hasznosítás alapjai A napenergiában rejlı potenciál Az energia felhasználása A sugárzási modellek A sugárzás és az anyag kölcsönhatása Sugárzásfizikai definíciók Napsugárzás A hatékony napenergia-felhasználás alapjai

3 A napenergiában rejlı potenciál A Napból a Föld felszínére sugárzott energia: TWh/év Az elsıdleges energiafelhasználás a világon: TWh/év Vagyis napenergia útján 8000-szer több energia érkezik a Földre, mint a teljes energiaigény.

4 SZIE FFT Atommag fizika Hélium atommag (α részecske): 2 proton + 2 neutron A napenergia és a Fizika Tömeg-deffektus: m = m (2 m + 2 m ) < α p n 0 m α = 6, kg, m p = 1, kg, m n = 1, kg, Dr. Seres István, SZIE FFT 6 Seres.Istvan@gek.szie.hu

5 SZIE FFT Atommag kötési energiája tömegdeffektus: m = m (2 m + 2 m α p n ) A napenergia és a Fizika Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia elv: Kötési energia: ε = mc 2 = ( ) 2 = kg ε = 4, J = 2, ev = 28 MeV (1 ev = 1, J) A látszólag eltőnı tömeg energiává alakul! Dr. Seres István, SZIE FFT 7 Seres.Istvan@gek.szie.hu

6 SZIE FFT Atommag kötési energiája ε ~ 4, J A napenergia és a Fizika Mennyi energia lenne kinyerhetı 1 vödör vízbıl ha magreakcióval belıle a hidrogént héliummá alakítanánk? M(H 2 O) = 18 g/mol = 2 g/mol H + 16 g/mol O. A víz tömegének 2/18-ad része, vagyis 1/9-ed része hidrogén. Dr. Seres István, SZIE FFT 8 Seres.Istvan@gek.szie.hu

7 SZIE FFT A napenergia és a Fizika 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 mol n 250 mol He Dr. Seres István, SZIE FFT 9 Seres.Istvan@gek.szie.hu

8 SZIE FFT Atommag kötési energiája 250 mol He kötési energiája: A napenergia és a Fizika E = N ε = , = 6, J. 1 kg koksz égéshıje: 30 MJ/kg = J/kg. 1 vödör víz hidrogénjének fúziós energiája kb. 2, kg = tonna koksz elégetésének megfelelı energiát termel. Dr. Seres István, SZIE FFT 10 Seres.Istvan@gek.szie.hu

9 SZIE FFT Nap energia kibocsátása Dr. Seres István, SZIE FFT 11 A napenergia és a Fizika Hıterjedési formák: Hıvezetés Hıáramlás Hısugárzás Seres.Istvan@gek.szie.hu

10 SZIE FFT A napenergia és a Fizika Nap energia kibocsátása - hısugárzás Fekete test sugárzás Wien törvény: λ T = max áll. Stefan-Boltzmann törvény: E = σt 4 Dr. Seres István, SZIE FFT 12 Seres.Istvan@gek.szie.hu

11 SZIE FFT Nap energia kibocsátása A napenergia és a Fizika látható ultraibolya infra Spektrum a légkörön kívül Spektrum a Földfelszínen Wien törvény: λ max T = 2, Nagy energia kis energia mk hullámhossz(µm) λ max = 0,5 µm = m, Innét T~5800 K Dr. Seres István, SZIE FFT 13 Seres.Istvan@gek.szie.hu

12 SZIE FFT A napenergia és a Fizika Nap energia kibocsátása Stefan-Boltzmann törvény Kibocsátott energiasőrőség: 4 E = σt E = 5, E = 6, W/m 2 A Nap felülete: A = 4 R 2 π = 4 ( ) 2 π = 6, m 2 Innét az 1 s alatt kisugárzott teljesítmény: P = E A = W Dr. Seres István, SZIE FFT 14 Seres.Istvan@gek.szie.hu

13 SZIE FFT A napenergia és a Fizika Nap energia kibocsátása Innét az 1 s alatt kisugárzott összes energia: P = E A = W 1 He atommag keletkezésekor: m = kg ε=4, J energia. 1 s alatt N = 8, reakció, azaz m N = , = 4, kg Tehát 1 s alatt kb. 4,4 millió tonna! Dr. Seres István, SZIE FFT 15 Seres.Istvan@gek.szie.hu

14 SZIE FFT A Földre eljutó energia P = W A napenergia és a Fizika A Föld Nap körüli keringésének pályasugara: R p = 1, m. R p A Föld távolságában az egységnyi felületre jutó teljesítménysőrőség: P E = = A Dr. Seres István, SZIE FFT 1397 W m 2 16 Seres.Istvan@gek.szie.hu

15 A napenergia felhasználás lehetıségei sugárzás rendszer (hatásfok) hasznos energia Napsugárzás elnyelı Mivé alakítja Energiafajta fekete fém hı hıenergia növény biomassza kémiai energia fotovillamos cella elektromosság villamos energia napkollektor hı hıenergia Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

16 A napenergia termikus hasznosítása Energiaelnyelı (kollektor) napsugárzás átalakítás hı Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

17 Mi a fény? Albert Einstein, Annals of Physics folyóirat, 1905: a fény mozgó részecskék ( fotonok vagy hullámcsomagok ) árama fotonok (ϕϖς fény) Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

18 Sugárzás intenzitás Minden foton egy meghatározott mennyiségő energiát képvisel, ami a frekvenciájával arányos A foton csak teljes egészében hozható létre, vagy semmisíthetı meg (nem osztható kisebb részekre) A fotonok sőrősége szabja meg a fény intenzitását alacsony intenzitás magas Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

19 A napsugárzás légkörön kívüli és a földfelszíni spektruma ultraibolya látható infravörös Spektrum AM 0 Spektrum AM 1,5 Besugárzás intenzitás [Wm -2 ] nagy energiájú fotonok kis energiájú fotonok Hullámhossz [µm] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

20 Színek a napsugárzás látható tartományában ibolya kék zöld sárga vörös hullámhossz [nm] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

21 Egyszínő fény spektruma intenzitás sárga hullámhossz [nm] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

22 Az anyag és a sugárzás kölcsönhatási formái foton kölcsönhatás eltőnik elnyelés (abszorpció) átbocsátás megmarad tükrözı visszaverıdés diffúz visszaverıdés, szóródás Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

23 Összefüggés a felületek fényessége és felmelegedése között a felület színe kölcsönhatás energia elnyelés fehér túlnyomóan visszaverıdés csekély szürke visszaverıdés és elnyelés közepes fekete túlnyomóan elnyelés nagymérvő

24 Különbözı anyagok abszorpciós tulajdonságai megnevezés meghatározás fekete A teljes szoláris spektrum fotonjainak elnyelése fehér Teljes visszatükrözés szürke Egységes, de minden fotonra nem teljes elnyelés szelektív Bizonyos spektrumtartományok fotonjainak elnyelése, a spektrum más tartományába esı fotonok visszatükrözése vagy átengedése. Az összes színes test szelektív elnyelı.

25 A napsugárzással kapcsolatos elnevezések és mértékegységek Fizikai mennyiség megnevezés mértékegység Teljesítmény sőrőség Sugárzás intenzitás (besugárzás) Wm -2, kwm -2 Energia sőrőség Sugárzási energia Whm -2, kwhm -2

26 Napsugárzás Besugárzás: A felületegységre beesı sugárzási teljesítmény. Mértékegysége: Wm -2, jele: E Besugárzottság: A besugárzás idı szerinti integrálja egy adott idıtartamra. Mértékegysége: Whm -2, jele: H Megvilágítás: A besugárzás analóg mennyisége a látható fényre. Mértékegysége: lmm -2 vagy lx

27 Napsugárzás Globál besugárzás: Az úgynevezett globál besugárzás a Föld felszínén a direkt és a diffúz besugárzás összege. Definíciója: E g = E dir + E dif

28 Napsugárzás Levegı tömeg (Air Mass - AM): Ha a napsugarak merılegesen érkeznek a Föld felszínére, a fénysugaraknak csak egyszer kell áthaladniuk a légkörön. Ezt az esetet jelöljük AM 1-el. Minden más esetben a fénysugarak útja a légkörön át hosszabb. Az úthossz a Nap magasságától (a fénysugarak beesési szögétıl) függ. Például az AM 2 azt jelenti, hogy a fénysugár útja a légkörön át kétszerese az AM 1 értékhez tartozó útnak. Ez az eset akkor áll elı, ha a Nap 30º -os szöget zár be a horizonttal. Definíció: AM = 1 / sin(β)

29 A napsugár útja a légkörön át visszaverıdés visszavert sugárzás (albedo) direkt sugárzás diffúz (szórt) sugárzás Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

30 Sugárzás intenzitás különbözı idıjárási körülmények között égbolt idıjárás tiszta kék ég párás/felhıs, a Nap fehéressárgás korong borult ég, globál sugárzás Wm Wm Wm -2 diffúz sugárzás aránya % % % Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

31 Éves napenergia besugárzás különbözı helyszíneken Helyszín Éves energia besugárzás [kwhm -2 ] Szahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, Dél-Németország 1200 Hamburg, Észak-Németország 1000

32 Besugárzottság Khartoumban és Freiburgban (összehasonlítás) Freiburg, Németzország Khartoum, Szudán átlagos napi globál sugárzás [Wh/m 2 d] hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

33 A besugárzás éves megoszlása, Freiburg, Németország Freiburg, Németország átlagos napi globál sugárzás [kwhm -2 ] hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

34 A direkt, diffúz és globál sugárzás éves megoszlása Freiburg, Németország direkt diffúz átlagos napi globál sugárzás [kwh/m 2 ] hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

35 Besugárzás vízszintes felületen, Freiburg, Németország (derült napok) Besugárzás [W/m 2 ] óra Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

36 Direkt sugárzás egy dılt elnyelı felületen nyár tél Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

37 Diffúz sugárzás egy dılt elnyelı felületen Az égbolt azon tartománya, amelyrıl a sugárzás eljuthat az elnyelı felületre Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

38 Az elnyelı-felület dılésszöge különbözı feltételekre (Közép-Európában) Rendszer jellemzı szög Maximális évi teljes energia-nyereség kb. 30 Téli hónapokra optimalizált kb. 60 Tavasszal és ısszel jó energiahozam kb. 45

39 Napsugárzás (Közép-Európában tipikus) Maximális besugárzás: 1000 Wm -2 Átlagos besugárzás: 100 Wm -2 Éves globális besugárzás: 1000 kwhm -2

40 Napsugárzás Standard teszt feltételek: (STC = Standard Test Conditions): Azon feltételek, amelyek mellett az eszközt tesztelik. Besugárzás: 1000 Wm -2 Cella hımérséklet: 25 C Levegı tömeg: AM 1,5

41 G03 - A napenergia-hasznosítás alapjai Köszönöm a figyelmet! Kérdés?

42 Tudás teszt: 1. Lehetséges-e energiát létrehozni vagy eltüntetni? 2. Mi a lehetséges legnagyobb besugárzottság egy a beesı napsugarakra merıleges felületen? 3. A diffúz sugárzás fontos szerepet játszik a napenergia felhasználásban Közép-Európában. Mekkora a diffúz sugárzás aránya az éves besugárzottságban?

43 További ábrák:

44 Atommodell atommag elektronok Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

45 Az anyag halmazállapotai szilárd folyadék gáz Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

46 Hıenergia eredményezte atommozgás az anyagban kis mozgás: hideg szilárd test intenzív mozgás: forró szilárd test Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany