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

Környezetvédelem: Széndioxid kibocsátás https://hu.wikipedia.org/wiki/glob%c3%a1lis_felmeleged%c3% A9s#/media/File:Mauna_Loa_Carbon_Dioxidehu.png 2

Környezetvédelem: Széndioxid kibocsátás https://commons.wikimedia.org/wiki/file:tempsunspotco2.svg 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

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, 7

Atommag kötési energiája tömegdeffektus: m m a (2 m p 2 m 8 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. 9

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 10

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. 11

Nap energia kibocsátása Hőterjedési formák: Hővezetés Hőáramlás Hősugárzás 12

Nap energia kibocsátása hősugárzás Fekete test sugárzás Wien törvény: max T áll. StefanBoltzmann törvény: E T 4 13

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 14

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 15

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! 16

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 W 1397 2 m 17

Az energia terjedése elektromágneses hullám E c B 18

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 % 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 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 21

Napenergia hasznosítása Napkollektoros rendszerek Fotovillamos rendszerek (napelem) Passzív napenergiahasznosítás (épületek) 22

Napkollektoros rendszerek Sugárzás elnyelése, visszaverése Felületi hőátadás Hőszigetelés Folyadékok áramlása 23

Napkollektoros rendszerek 1, Napkollektor 2, csővezeték 3, Melegvíz tároló 4, kazán 24

Napkollektoros rendszerek üveglap Abszorber lemez hőszigetelés kalorimetria: bejövő energia mekkora tt okoz hőfelvétel, hővezetés: abszorber lemez szerepe üvegházhatás 25

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 26

Napkollektoros rendszerek Hőveszteség kiküszöbölése (téli használat) 27

Napkollektoros rendszerek Képek 28

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 30

Fotovillamos rendszerek Fény energiájának elektromossággá konvertálása Fotoeffektus Félvezető eszközök (napelemek) Közvetett átalakítás (sugárzás hő elektromos energia) 32

Fotovillamos rendszerek Fotoeffektus Foton fémlemez e Einstein egyenlet: hf W ki 1 2 mv 2 33

Fotovillamos rendszerek Fotoeffektus Fotocella: fény Légritkított tér fotokatód 34

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 35

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 36

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 37

38 SZIE FFT Fotovillamos rendszerek E U Félvezetők pn átmenet dióda n p

39 SZIE FFT Fotovillamos rendszerek Félvezetők pn átmenet dióda E E külső Záróirányú kapcsolás (a E külső hozzáadódik Ehez)

40 SZIE FFT Fotovillamos rendszerek Félvezetők pn átmenet dióda E E külső Nyitóirányú kapcsolás (a E külső gyengíti Et)

41 SZIE FFT 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 42

Relatív intenzitás SZIE FFT 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 43

Fotovillamos rendszerek MÉRÉSEK IV KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS 44

Fotovillamos rendszerek V MÉRÉSEK IV KARAKTERSIZTIKA MÉRÉS A R 45

Fotovillamos rendszerek IV KARAKTERISZTIKA MÉRÉS 46

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) 47

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 voltage [V] feszültség (V) 48

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) 49

Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT 50

Fotovillamos rendszerek: SZIE FFT Szolárbőrönd 53

Fotovillamos rendszerek: OFF GRID 54

Fotovillamos rendszerek 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.) 57

Köszönöm a figyelmet! 58