Mit sütünk ki mára?! (Napenergia és a Fizika) Dr. Seres István SZIE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék

Környezetvédelem: Széndioxid kibocsátás Dr. Seres István, 2

Környezetvédelem: Megújuló energiaforrások Napenergia Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia Biomassza Dr. Seres István, 3

Nap energia energiatermelése Fúzió: Milyen folyamat Fajlagos energiatermelés Mennyivel csökken a Nap tömege emiatt? Meddig sugároz? Dr. Seres István, 4

Atommag fizika Dr. Seres István, 5

Atommag fizika Hélium atommag (a részecske): 2 proton 2 neutron Tömegdeffektus: m m a (2 m p 2 m n ) 0 m a = 6,6447 10 27 kg, m p = 1,6727 10 27 kg, m n = 1,6749 10 27 kg, Dr. Seres István, 6

Atommag kötési energiája tömegdeffektus: m m a Dr. Seres István, (2 m p 2 m 7 n ) Einsteinféle tömegenergia ekvivalencia elv: Kötési energia: e = mc 2 = 5 10 29 (3 10 8 ) 2 = 5 10 29 kg e = 4,5 10 12 J = 2,8 10 7 ev = 28 MeV (1 ev = 1,6 10 19 J) A látszólag eltűnő tömeg energiává alakul!

Atommag kötési energiája e ~ 4,5 10 12 J Mennyi energia lenne kinyerhető 1 vödör vízből ha magreakcióval belőle a hidrogént héliummá alakítanánk? M(H 2 O) = 18 g/mol = 2 g/mol H 16 g/mol O. A víz tömegének 2/18ad része, vagyis 1/9ed része hidrogén. Dr. Seres István, 8

Atommag kötési energiája A víz tömegének 2/18ad része, vagyis 1/9ed része hidrogén. 1 vödör vízben > 1 kg hidrogén 1 kg H = 1000 mol proton 500 mol p 500 mol n 250 mol He Dr. Seres István, 9

Atommag kötési energiája 250 mol He kötési energiája: E = N e = 250 6 10 23 4,5 10 12 = 6,75 10 14 J. 1 kg koksz égéshője: 30 MJ/kg = 3 10 7 J/kg. 1 vödör víz hidrogénjének fúziós energiája kb. 2,25 10 7 kg = 22 500 tonna koksz elégetésének megfelelő energiát termel. Dr. Seres István, 10

Nap energia kibocsátása Hőterjedési formák: Hővezetés Hőáramlás Hősugárzás Dr. Seres István, 11

Nap energia kibocsátása hősugárzás Fekete test sugárzás Wien törvény: max T áll. StefanBoltzmann törvény: E T 4 Dr. Seres István, 12

Nap energia kibocsátása ultraibolya látható infra Spektrum a légkörön kívül Spektrum a Földfelszínen Wien törvény: max T 2,884 10 3 Nagy energia kis energia mk hullámhossz (mm) max = 0,5 mm = 5 10 7 m, Innét T~5800 K Dr. Seres István, 13

Nap energia kibocsátása StefanBoltzmann törvény Kibocsátott energiasűrűség: A Nap felülete: A = 4 R 2 p = 4 (7 10 8 ) 2 p = 6,16 10 18 m 2 Innét az 1 s alatt kisugárzott teljesítmény: P = E A = 4 10 26 W 4 E T E = 5,67 10 8 58004 E = 6,42 10 7 W/m 2 Dr. Seres István, 14

Nap energia kibocsátása Innét az 1 s alatt kisugárzott összes energia: P = E A = 4 10 26 W 1 He atommag keletkezésekor: m = 5 10 29 kg e=4,5 10 12 J energia. 1 s alatt N = 8,9 10 37 reakció, azaz m N = 5 10 29 8,9 10 37 = 4,4 10 9 kg Tehát 1 s alatt kb. 4,4 millió tonna! Dr. Seres István, 15

A Földre eljutó energia P = 4 10 26 W A Föld Nap körüli keringésének pályasugara: R p = 1,5 10 11 m. R p A Föld távolságában az egységnyi felületre jutó teljesítménysűrűség: E P A Dr. Seres István, W 1397 2 m 16

Az energia terjedése elektromágneses hullám E c B Dr. Seres István, 17

A Földre felszínre lejutó energia A légkörön kívül: W E 1397 2 m Ennek a légkör egy részét: visszaveri 35 % elnyeli 17 % átengedi 48 % (31% direkt, 17% diffúz) 100 % Dr. Seres István, 18

A Földre felszínre lejutó energia A légkör hatása: Miért piros a Nap naplementekor? Miért kék az ég? A fény szóródik a levegő részecskéken. Dr. Seres István, 19

Napenergia potenciál A 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 Dr. Seres István, 20

Napenergia hasznosítása Napkollektoros rendszerek Fotovillamos rendszerek (napelem) Passzív napenergiahasznosítás (épületek) Dr. Seres István, 21

Napkollektoros rendszerek Sugárzás elnyelése, visszaverése Felületi hőátadás Hőszigetelés Folyadékok áramlása Dr. Seres István, 22

Napkollektoros rendszerek 1, Napkollektor 2, csővezeték 3, Melegvíz tároló 4, kazán Dr. Seres István, 23

Napkollektoros rendszerek üveglap Abszorber lemez hőszigetelés kalorimetria: bejövő energia mekkora tt okoz hőfelvétel, hővezetés: abszorber lemez szerepe üvegházhatás Dr. Seres István, 24

Napkollektoros rendszerek síkkollektor Tinox szelektív bevonattal 0,00009 mm kvarc 0,00006 mm Tinox 0,2 mm réz Télen ~16%, egész évre ~10% energiahozam növekedés Forrás: Hoval Dr. Seres István, 25

Napkollektoros rendszerek Hőveszteség kiküszöbölése (téli használat) Dr. Seres István, 26

Napkollektoros rendszerek Képek Dr. Seres István, 27

Napkollektoros rendszerek Képek T 2 2 2db 2x2 m es kollektor HMV T 6 Villanybojler I 1 T 1 Szabályozó Szolár tároló 500 l 150 l T 3. v 1 T 4 T 5. v 2 Szivattyú egység Dr. Seres István, 29

Fotovillamos rendszerek Fény energiájának elektromossággá konvertálása Fotoeffektus Félvezető eszközök (napelemek) Közvetett átalakítás (sugárzás hő elektromos energia) Dr. Seres István, 31

Fotovillamos rendszerek Fotoeffektus Foton fémlemez e Einstein egyenlet: hf W ki 1 2 mv 2 Dr. Seres István, 32

Fotovillamos rendszerek Fotoeffektus Fotocella: fény Légritkított tér fotokatód Dr. Seres István, 33

Fotovillamos rendszerek Félvezetők Germánium, szilícium: négy vegyértékű atomok Tiszta félvezető (hőmérséklet növekedés hatására az ellenállása csökken) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Dr. Seres István, 34

Fotovillamos rendszerek Félvezetők Szennyezett félvezetők szabad elektron n típusú félvezető (5 vegyértékű szennyezés) foszfor atom Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Dr. Seres István, 35

Fotovillamos rendszerek Félvezetők Szennyezett félvezetők elektron hiány (lyuk) p típusú félvezető (3 vegyértékű szennyezés) bór atom Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Dr. Seres István, 36

37 Dr. Seres István, Fotovillamos rendszerek E U Félvezetők pn átmenet dióda n p

38 Dr. Seres István, Fotovillamos rendszerek Félvezetők pn átmenet dióda E E külső Záróirányú kapcsolás (a E külső hozzáadódik Ehez)

39 Dr. Seres István, Fotovillamos rendszerek Félvezetők pn átmenet dióda E E külső Nyitóirányú kapcsolás (a E külső gyengíti Et)

40 Dr. Seres István, Fotovillamos rendszerek Félvezető napelem foton Speciális dióda: egyik réteg nagyon vékony, hogy a fény átjusson rajta p n

Három határréteges amorf Szilícium (asi) cella keresztmetszete. Mindegyik cella egy megadott spektrum tartományra érzékeny. Rövid fényhullámhossz Hosszú fényhullámhossz Közepes fényhullámhossz TCO p Kékre érzékeny cella i n p Zöldre érzékeny cella i n p Pirosra érzékeny cella i n Visszaverő réteg hordozóanyag Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany Dr. Seres István, 41

Relatív intenzitás Egy három határréteges cella spektrális érzékenysége 1.0 0.8 Három határréteges cella spektrális érzékenysége 0.6 0.4 0.2 Kékre érzékenyzöldre cella érzékeny cella Vörösre érzékeny cella 0 300 400 500 600 700 800 900 hullámhossz [nm] Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany Dr. Seres István, 42

Fotovillamos rendszerek MÉRÉSEK IV KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS Dr. Seres István, 43

Fotovillamos rendszerek V MÉRÉSEK IV KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS A R Dr. Seres István, 44

Fotovillamos rendszerek IV KARAKTERISZTIKA MÉRÉS Dr. Seres István, 45

Fotovillamos rendszerek MÉRÉSEK IV KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS 4 3,5 3 current [A] áram (A) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 feszültség voltage [V](V) Dr. Seres István, 46

Fotovillamos rendszerek 4 current [A] áram (A) Maximális MÉRÉSEK IV teljesítmény KARAKTERSIZTIKA munkapont MÉRÉS 3,5 3 2,5 2 1,5 U MPP = 20,9 V, I MPP = 3,2 A, P max = 67,4 W 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 Dr. Seres István, voltage [V] feszültség (V) 47

Fotovillamos rendszerek áram (A) MÉRÉSEK CELLA ÁRNYÉKOLÁS HATÁSA 4,5 4 3,5 3 current [A] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 voltage [V] feszültség (V) Dr. Seres István, 48

Fotovillamos rendszerek: Dr. Seres István, 49

Fotovillamos rendszerek: Szolárbőrönd Dr. Seres István, 52

Fotovillamos rendszerek: OFF GRID Dr. Seres István, 53

Fotovillamos rendszerek Dr. Seres István, 54

Passzív napenergia hasznosítás (építészet): Transzparens szigetelés Dr. Seres István, 55

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.) Dr. Seres István, 56

Köszönöm a figyelmet! Dr. Seres István, 57