Kutatk jszakja 2009 szeptember 25 16 45 17

Kutatók éjszakája, 2009. szeptember 25. 16: 45 - 17: 30 PTE TTK, 7624 Pécs, Ifjúság útja 6. E ép. 333. előadó Dr. Német Béla, PTE, TTK, Környzetfizika és Lézerspektroszkópia Tanszék "NULLA $ (€, Ft) költségű energiaforrások: napsugárzás, szélenergia" Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 1

NAP ENERGIA HASZNOSÍTÁS Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 2

A „napsugárzás fizikája” Energetikai hasznosítás két fő útja: 1. A sugárzás abszorpciójával az elnyelő közeget melegítjük, növeljük a közeg atomjainak, molekuláinak hőmozgását (klasszikus példa: a talaj és a víz felmelegedése a természetben). (napkollektor) 2. A sugárzás egyes spektrális tartományán atomi és molekuláris elektron átmeneteket gerjeszt, fotofizikai, fotokémiai folyamatokat indít be, töltéshordozókat, főleg elektronokat szabaddá tesz (elektromos feszültséget, zárt körben áramot előállítani) (klasszikus példa a fotoszintézis) (napelem) A Földre érkező elektromágneses sugárzás spektrális eloszlása. A teljes sugárzás teljesítményfluxusa a földfelszínen: 800 W/m 2. Átlagos éves besugárzási szint Magyarországon: 4 k. Wh/m 2/nap=15 MJ/m 2/nap. Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 3

A napsugárzás energetikai hasznosításának irányai (hőenergia, elektromos energia) A napsugárzás hasznosításának eszközei: Használati melegvíz előállítás, fűtés rásegítés: - napkollektoros rendszerek Elektromos energia előállítása: - napelemes (photovoltaic (PV) cell - C) rendszerek - naperőművek Családi szint, kis közösségi szint, kisrégiós szint Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 4

Magyarország 1000 - 1300 k. Wh/m 2/év Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 5

Napenergia; Évente begyűjthető mennyiség Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 6

HASZNÁLATI MELEGVÍZ ELŐÁLLÍTÁS (HMV), FŰTÉS RÁSEGÍTÉS Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 7

A használati melegvíz előállítása ü 4 fő részére, napi 200 liter 45 o. C-os víz elegendő. ü Qhmv=m*cvíz*(tm-tn), ahol • Qhmv - a felfűtési energia [k. Wh], • m - a felfűtendő víz tömege [kg], • Cvíz - a víz fajhője [ 4, 2 k. J/kg. K ], • tm - a kívánt hőmérséklet [ 45 o. C ], • tn _ - a hálózati víz hőmérséklete [ 15 o. C ] Qhmv = 200*4, 2*(45 -15)=25 MJ = 6, 6 k. Wh Ø Tehát az egy napra szükséges használati melegvíz felfűtéséhez szükséges energia 25 MJ ~ 7 k. Wh. Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 8

Síkkollektor, vákuumcsöves kollektor Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 9

Kollektor, kazán, hőtároló, vezérlő egység együttes rendszere Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 10

KOLLEKTOROS, HŐKONCENTRÁTOROS ELEKTROMOS ENERGIA ELŐÁLLÍTÓ ERŐMŰVEK Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 11

Parabola-Vályu-tükrös gőzturbinás erőmű Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 12

Nap. Tornyos gőzturbinás erőmű Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 13

„Nap. Tányéros” Stirling motoros erőmű Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 14

Lineáris-Fresnel tükrös gőzturbinás naperőmű Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 15

NAPELEMEKKEL (PV) EGYENÁRAMÚ ELEKTROMOS ENERGIA ELŐÁLLÍTÁSÁRA Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 16

Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 17

Napelem mint „tető” Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 18

Napelem mint „ablaküveg” Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 19

Napelem mint „falburkoló” Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 20

Napelemek, mint árnyékolók Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 21

Napelemek, mint árnyékolók Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 22

Napelemek, mint parkoló árnyékolók Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 23

Fotovillamos rendszerek hálózatra kapcsolása Ha a fotovillamos rendszernek a villamos közmű hálózatra való kapcsolása lehetséges, akkor egyen-váltó átalakító (AC/DC inverter) alkalmazása szükséges. Hálózatra kapcsolt rendszer számára saját tároló nem szükséges, mert ha nincs saját termelés, akkor a hálózatról vehető áram (óra: előre ill. visszafelé forog, vagy két fogyasztásmérő). Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 24

Alkalmazások épületszerkezetekbe integrálva és kollektorként A fotovillamos modulok külön állványzata, vagy tartószerkezete és azok helyszükséglete megtakarítható az integrált és a kombinált megoldásokkal. A főbb megoldási változatok a következők. a) Tetőcserép felületére felragasztott amorf szilícium cellák. b) Tetőfedő elemként kiképzett fotovillamos modulok. c) Homlokzati üveg-borító elemekbe integrált fotovillamos cellák. d) Vizes kollektorral kombinált fotovillamos rendszer. Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 25

SZÉL ENERGIA HASZNOSÍTÁS Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 26

Szélenergia; Széltérképek Európára Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 27

A „szél fizikája” Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 28

Szélerőmű; 600 k. W (elektromos energia) Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 29

Szélerőmű belseje Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 30

Szélerő -művek Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 31

Németország 2003 Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 32

Szél kerék, generátor Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 33

Szélkerék alkalmazás vízszivattyúzásra A felszivattyúzott víz tárolható. Csúcsrajáratás • Centrifugál-szivattyú alkalmazása. Rugalmas üzem, változó fordulatszámon is szállít, a hatásfoka fordulatszám-függő. • Térfogati (volumetrikus) szivattyú alkalmazása • Dugattyús, csavar, fogaskerék szivattyú. Nyomaték igényük nem függ a fordulatszámtól; hatásfokuk jobb, mint a centrifugál - szivattyúké. Mivel a meghajtó villamos-motor nyomatéka fordulatszám-függő , szükséges egy DC-DC konverter (egyenáramú átalakító) alkalmazása. A DC-DC konvertert a fotovillamos modul és a meghajtó egyenáramú motor közé kell kapcsolni, hogy a szivattyú számára a szükséges nyomaték biztosítható, - azaz: a kimenő U ki feszültség megfelelő értékű legyen. Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 34

HOL TART A VILÁG? Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 35

ELEKTROMOS ENERGIA TÁROLÁS Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 36

Elektromos energia tárolása • Akkumulátor savas-ólom akkumulátor Ni. Cd /nikkel-kadmium/ akkumulátor • Víztározó – tározós vízerőmű • Hidrogén előállítás, vízbontás • Metanol gyártás (Oláh) CO 2 + H 2 CH 3 OH • Motorokban, turbinákban történő felhasználás Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 37

A tüzelőanyag cellák típusai A tüzelőanyag cellák hidrogént oxidálnak katalitikus elektrokémiai folyamat során. A felhasznált elektrolit jellege szerint különböző típusú tüzelőanyag cellákat fejlesztettek ki: - lúgos (AFC) - savas (PAFC) - olvadó karbonátos (MCFC) - szilárd oxid (SOFC) - szilárd polimer (PEM) - közvetlen metanol (DMFC) - mikroorganikus, biokémiai Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 38

Tüzelőanyag cellák működésénél cél: annak megakadályozása, hogy az oxidáció során a tüzelőanyag molekuláiból az elektronok az oxidálószerbe közvetlenül átjuthassanak. Felépítés: anód - elektrolit - katód Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 39

Hibrid rendszerek; Kapcsolt rendszerek Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 40

Hibrid rendszerek; Kapcsolt rendszerek A Hibrid rendszerek többféle forrásból egyféle energiát állítanak elő. • szél és/vagy napenergiából (az időjárás függvényében) villamos energia. • Diesel + napenergia -> villamos energia A Kapcsolt vagy kombinált rendszerek egy forrást többféle energia előállítására hasznosítják. • Kombinált rendszer: napenergiából fotovillamoság és hő nyerése egyidejűleg, egy speciális kombinált berendezés segítségével. Létezik hibrid-kombinált rendszer is. Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 41

Napelem + szélkerék Szélkerék + napelem + inverter + akkumulátor Eredmény 230 V váltóáram Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 42

SOK SIKERT KÍVÁNOK A JÖVŐ NEMZEDÉKNEK a NULLA $ (€, Ft) költségű energiaforrások: napsugárzás, szélenergia„ SAJÁT CÉLRA TÖRTÉNŐ minél eredményesebb hasznosításában Nulla $ Nap Szél Kutatók Éjszakája 43