G03 elıadás A napenergia-hasznosítás alapjai Werner Roth Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Freiburg, Germany
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
A napenergiában rejlı potenciál A Napból a Föld felszínére sugárzott energia: 8 10 8 TWh/év Az elsıdleges energiafelhasználás a világon: 1 10 5 TWh/év Vagyis napenergia útján 8000-szer több energia érkezik a Földre, mint a teljes energiaigény.
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 = 6,6447 10-27 kg, m p = 1,6727 10-27 kg, m n = 1,6749 10-27 kg, Dr. Seres István, SZIE FFT 6 Seres.Istvan@gek.szie.hu
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 = -5 10-29 (3 10 8 ) 2 = -5 10-29 kg ε = 4,5 10-12 J = 2,8 10 7 ev = 28 MeV (1 ev = 1,6 10-19 J) A látszólag eltőnı tömeg energiává alakul! Dr. Seres István, SZIE FFT 7 Seres.Istvan@gek.szie.hu
SZIE FFT Atommag kötési energiája ε ~ 4,5 10-12 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
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 + + 500 mol n 250 mol He Dr. Seres István, SZIE FFT 9 Seres.Istvan@gek.szie.hu
SZIE FFT Atommag kötési energiája 250 mol He kötési energiája: A napenergia és a Fizika E = N ε = 250 6 10 23 4,5 10-12 = 6,75 10 14 J. 1 kg koksz égéshıje: 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 megfelelı energiát termel. Dr. Seres István, SZIE FFT 10 Seres.Istvan@gek.szie.hu
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
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
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 = 2,884 10 3 Nagy energia kis energia mk hullámhossz(µm) λ max = 0,5 µm = 5 10-7 m, Innét T~5800 K Dr. Seres István, SZIE FFT 13 Seres.Istvan@gek.szie.hu
SZIE FFT A napenergia és a Fizika Nap energia kibocsátása Stefan-Boltzmann törvény Kibocsátott energiasőrőség: 4 E = σt E = 5,67 10-8 5800 4 E = 6,42 10 7 W/m 2 A Nap felülete: A = 4 R 2 π = 4 (7 10 8 ) 2 π = 6,16 10 18 m 2 Innét az 1 s alatt kisugárzott teljesítmény: P = E A = 4 10 26 W Dr. Seres István, SZIE FFT 14 Seres.Istvan@gek.szie.hu
SZIE FFT A napenergia és a Fizika 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 ε=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, SZIE FFT 15 Seres.Istvan@gek.szie.hu
SZIE FFT A Földre eljutó energia P = 4 10 26 W A napenergia és a Fizika A Föld Nap körüli keringésének pályasugara: R p = 1,5 10 11 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
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
A napenergia termikus hasznosítása Energiaelnyelı (kollektor) napsugárzás átalakítás hı Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
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
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
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
Színek a napsugárzás látható tartományában ibolya kék zöld sárga vörös hullámhossz [nm] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Egyszínő fény spektruma intenzitás sárga 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 hullámhossz [nm] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
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
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
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.
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
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
Napsugárzás Globál besugárzás: Az úgynevezett globál besugárzás a Föld felszínén a direkt és a diffúz besugárzás összege. Definíciója: E g = E dir + E dif
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)
A napsugár útja a légkörön át visszaverıdés visszavert sugárzás (albedo) direkt sugárzás diffúz (szórt) sugárzás Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Sugárzás intenzitás különbözı idıjárási körülmények között égbolt idıjárás tiszta kék ég párás/felhıs, a Nap fehéressárgás korong borult ég, globál sugárzás 600 1000 Wm -2 200 400 Wm -2 50 150 Wm -2 diffúz sugárzás aránya 10 20 % 20 80 % 80 100 % Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Éves napenergia besugárzás különbözı helyszíneken Helyszín Éves energia besugárzás [kwhm -2 ] Szahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, Dél-Németország 1200 Hamburg, Észak-Németország 1000
Besugárzottság Khartoumban és Freiburgban (összehasonlítás) 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Freiburg, Németzország Khartoum, Szudán átlagos napi globál sugárzás [Wh/m 2 d] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
A besugárzás éves megoszlása, Freiburg, Németország Freiburg, Németország 7 6 5 4 3 2 1 átlagos napi globál sugárzás [kwhm -2 ] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
A direkt, diffúz és globál sugárzás éves megoszlása Freiburg, Németország 7 6 5 4 3 2 1 0 direkt diffúz átlagos napi globál sugárzás [kwh/m 2 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Besugárzás vízszintes felületen, Freiburg, Németország (derült napok) 1000 900 800 700 600 500 400 300 1999.06.28 1999.12.28 Besugárzás [W/m 2 ] 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 óra Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Direkt sugárzás egy dılt elnyelı felületen nyár tél Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
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
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
Napsugárzás (Közép-Európában tipikus) Maximális besugárzás: 1000 Wm -2 Átlagos besugárzás: 100 Wm -2 Éves globális besugárzás: 1000 kwhm -2
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
G03 - A napenergia-hasznosítás alapjai Köszönöm a figyelmet! Kérdés?
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?
További ábrák:
Atommodell atommag elektronok Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Az anyag halmazállapotai szilárd folyadék gáz Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Hıenergia eredményezte atommozgás az anyagban kis mozgás: hideg szilárd test intenzív mozgás: forró szilárd test Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany