Енергија и животна средина

1. Енергија и животна средина

2. Соларна енергија

3. Соларна енергија за добијање топлоте и струје • Пасивно соларно грејање • Активно соларно грејање

4. Потребна површина за соларне системе 3 TW

5. Потребна површина за соларне системе 6 квадрата по 3.3 TW сваки

6. Соларни грејач воде (бојлер)

8. Фотоефекат • (неки) Фотони могу да избију електроне из (неких) метала • Једино фотони који имају довољно велику енергију • Енергија избијених електрона зависи од фреквенције упадних фотона • Последица квантне природе фундаменталних честица (фотони и електрони) Кинетичка енергија електрона Енергија фотона F-излазни рад метала

9. Полупроводници • Проводна и валентна зона • Код метала се преклапају • Код изолатора, велики процеп између њих а проводна зона је празна • Код полупроводника енергијски процеп је мали, топлотно побуђење може да буде довољно да неки електрони пређу у проводну зону • Додавање примеса (допирање) може да промени карактеристике енергијског процепа

10. Фотонапонске ћелије • Конвертују светлост директно у електричну струју • Упадни фотони креирају пар електрон-шупљина • Они струје кроз спој два полупроводника (p-n) • Енергијски процеп код силицијума је око 1,1 eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm • Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном у секунди • При јаком сунчаном дану ћелија површине од 100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V. • Обично се везују у модуле. 30-36 типичних ћелија по модулу даје напон од 12V

11. Типови фотонапонских ћелија • Монокристални силицијум • висока ефикасност, око 15%, прављење једног великог кристала је скупо • Поликристални силицијум • јефтинији, али му је ефикасност 12% • Аморфни силицијум • танки аморфни силицијумски слој депонован на супстрату. Добар за закривљене површине. Ефикасност око 6% • Други материјали • разне легуре. очекује се да буду јефтиније и ефикасније

12. Примена фотонапонских ћелија • Општа примена • Напајање електричном енергијом домова у селима, • дигитрони, сатови, говорнице, ... • Специјалне намене • телекомуникације • метеоролошке станице • за сателите и космичке летелице (100 W-неколико kW)

15. Штедња енергије • Трансфер топлоте и термална изолација • трансфер топлоте конвекцијом • губици топлоте зрачењем • губици топлоте у зградама

16. Преношење топлоте • Провођење - контакт • Конвекција/струјање - кретање флуида • Зрачење/радијација – без контакта

17. У пракси је најчешћа комбинација свих механизама преноса топлоте

18. L = Dx TC Хладнији TH Топлији TH Пресек S TC x Преношење топлоте - провођење • “Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-брзину од “хладнијих” молекула • Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са споријим молекулима са десне стране (средина мирује) • енергија се преноси на спорије молекуле • топлота се преноси са топлијег дела на хладнији • I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s] • I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру опадања Т) • Q/t = -lS T/x (Фуријеов закон) • l = “коефицијент топлотне проводности” • јединица: J/(smК) • Добри топлотни проводници…великаl • Добри топлотни изолатори … малаl • T/x – градијент температуре • R = L/(Sl) = топлотни отпор

19. Пренос топлоте, струјањем • Струјање – конвекција (течности и гасови) • Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима • Шири се … густина постаје мања • На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух а он се као ређи (топлији) издиже увис (Архимед). • Процес се наставља што доводи до циркулације ваздуха • Практични аспекти • Грејалице се постављају ближе поду • Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо грејалица

20. Струјање - конвекција: Трансфер топлоте услед мешања гасова или течности услед потиска (изазвана разликом притисака). Струје у окену. Грејање или хлађење собе.

21. Околина на T0 T Топла пећ Преношење топлоте: зрачење(радијација) • Сва око нас зрачи електромагнетске таласе • Iemit = Q/t = eST4 • Емитована топлотна Е у јединици времена • e = емисивност (између 0 и 1) • Апсолутно црно тело има e=1 • T је температура тела у Келвинима •  = Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(sm2K4) • Провођење и струјање – при непосредном додиру тела. Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан ни медијум. Топлотно зрачење. • Све око нас апсорбује енергију из околине • Iabsorb = eST04 • T0је температура околине у Келвинима • Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри апсорбери

22. Преношење топлоте: зрачење Околина на T0 T Извор топлоте • Све око нас зрачи и апсорбује енергију • Iemit = eST4 • Iabsorb = eST04 • Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04) • Ако је T > T0, објекат се хлади • За T < T0, објекат се греје

23. Преношење топлоте: зрачење • Укупна енергија која наиђе зрачењем на неко тело се: апсорбује, рефлектује или трансмитује (прође кроз средину) • Eu=Ea+Er+Et /:Eu • 1=A+R+T • A= Ea / Eu –коефицијент апсорпције, R= Er / Eu– коефицијент рефлексије, T= Et/Eu– коефицијент трансмисије • А=1, R=T=0, апсолутно црно тело (у потпуности апсорбује зрачење) • A=0, R=1, T=0, апсолутно бело тело (потпуно рефлектује зрачење)

24. За апсолутно црно тело • Iemit = ST4 • Количина емитоване енергије расте са температуром • У зрачењу имамо смешу електромагнетних таласа разних таласних дужина • Постоји нека таласна дужина око које се емитује највећи део енергије – Винов закон lmT = b, b=2,898 x 10-3 Km.