Wybrane Działy Fizyki

Transkrypt

1 Wybrane Działy Fizyki energia elektryczna i jadrowa W. D ebski

2 Rodzaje energii energia mechaniczna energia cieplna (chemiczna) energia elektryczna energia jadrowa W5-1 WNZ US,

3 Wytwarzanie i wykorzystanie energii - przetwarzanie energii Pozyskanie surowcow energetycznych Wytworzenie energii przesylanie energii wykorzystanie Magazynowanie surowcow magazynowanie energii debski@igf.edu.pl: W5-2 WNZ US,

4 Energia elektryczna nie wystepuje w formie samoistnej (pioruny!) forma energii bardzo łatwa do transportu nie daje sie magazynować bezpośrednio łatwa do zamiany na inne formy energii debski@igf.edu.pl: W5-3 WNZ US,

5 Źródła energii elektrycznej W5-4 WNZ US,

6 Energia elektryczna - akumulatory - debski@igf.edu.pl: W5-5 WNZ US,

7 Energia elektryczna - akumulatory - Ładowanie: Katoda Anoda P bso 4 + 2e P b + SO 2 4 P bso 4 + 2H 2 O P bo 2 + SO H + + 2e Rozładowanie: Katoda Anoda P bo 2 + SO H + + 2e P bso 4 + 2H 2 O P b + SO 2 4 P bso 4 + 2e debski@igf.edu.pl: W5-6 WNZ US,

8 Energia elektryczna - ogniwa paliwowe - Ogniwo paliwowe generuje energie elektryczna z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnatrz paliwa. Nie wymaga wcześniejszego ładowania! Wiekszość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór i tlen Longrightarrow ogniwa wodorowe. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów. Ogromna zaleta ogniw wodorowych jest minimalne zanieczyszczenie środowiska. Powstajace w nich spaliny to obojetna dla środowiska para wodna (+ CO 2 ). debski@igf.edu.pl: W5-7 WNZ US,

9 Ogniwa paliwowe W5-8 WNZ US,

10 Ogniwa paliwowe Podstawowym rodzaj ogniw: wodorowo-tlenowe z membrana do wymiany protonów (elektrolit polimerowy). Cienka warstwa polimeru przewodzacego protony rozdziela anode i katode. Elektrody to naweglony papieru pokrytego platyna jako katalizatora reakcji. Gazowy wodór wprowadzany dochodzi do porowatej anody, gdzie zachodzi dysocjacja, 2 H 2 4H + + 4e debski@igf.edu.pl: W5-9 WNZ US,

11 Ogniwa paliwowe Membrana przepuszcza tylko protony (H + ), nie przepuszcza innych jonów, szczególnie jonów tlenu od katody do anody. Elektrony docieraja do katody poprzez obwód elektryczny przepływ pradu Na katodzie tlen reaguje z elektronami: O 2 + 4e 2O 2 jony wodorowe H+ reaguja ze zjonizowanym tlenem: 2O 2 + 4H + 2H 2 O. debski@igf.edu.pl: W5-10 WNZ US,

12 Ogniwa paliwowe 1. wodór 2. elektrony 3. obciażenie 4. tlen 5. katoda 6. elektrolit 7. anoda 8. woda 9. jony elktrolitu W5-11 WNZ US,

13 Energia elektryczna - ogniwa słoneczne - ogólnie dost epna energia odnawialna czysta środowisko, ale... koszty produkcji - zróżnicowane/wysokie brak ciagłości wytwarzania niewielkie moce jednostkowe debski@igf.edu.pl: W5-12 WNZ US,

14 Panele fotowoltaiczne W5-13 WNZ US,

15 Panele fotowoltaiczne W5-14 WNZ US,

16 Zjawisko fotoelektryczne Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego jest niemożliwe na gruncie fizyki klasycznej (elektrodynamiki klasycznej) zakładajacej, że światło jest fala elektromagnetyczna - należałoby raczej oczekiwać, że energia fotoelektronów zależy od nateżenia fali świetlnej. Zjawisko zostało wyjaśnione w roku 1905 przez Alberta Einsteina opierajacego sie na założeniach mechaniki kwantowej.stało sie kluczowym dowodem na kwantowa nature światła. debski@igf.edu.pl: W5-15 WNZ US,

17 Efekt fotoelektryczny Zaproponowane wyjaśnienie zjawiska i jego opis matematyczny oparte jest na założeniu, że energia wiazki światła pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) równych hω, gdzie h jest stała Plancka a ω oznacza czestotliwość fali. Kwant promieniowania pochłaniany jest przy tym w całości. Einstein założył, że usuniecie elektronu z powierzchni metalu (substancji) wymaga pewnej pracy zwanej praca wyjścia, ktra jest wielkościa charakteryzujac a dana substancje (stała materiałowa). Pozostała energia unoszona jest przez emitowany elektron. Z tych rozważań wynika wzór: hω = W + E k debski@igf.edu.pl: W5-16 WNZ US,

18 Panele fotowoltaiczne W5-17 WNZ US,

19 Efekt fotoelektryczny Hipoteza kwantów wyjaśnia, dlaczego energia fotoelektronów jest zależna od czestości światła oraz, że poniżej pewnej czestotliwości światła, zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi. Einstein opublikował swoja prace w 1905 r. W efekcie fotoelektrycznym wewnetrznym energia fotonu też jest całkowicie pochłaniana przez elektron. Ale elektron nie jest uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku fotoelektrycznym zewnetrznym, przenosi sie do pasma przewodnictwa zmieniajac tym samym własności elektryczne materiału (Fotoprzewodnictwo). Zjawisko to zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest wieksza, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego (odległość energetyczna miedzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa). debski@igf.edu.pl: W5-18 WNZ US,

20 Panele fotowoltaiczne W5-19 WNZ US,

21 Panele fotowoltaiczne W5-20 WNZ US,

22 Panele fotowoltaiczne W5-21 WNZ US,

23 Panele fotowoltaiczne W5-22 WNZ US,

24 Panele fotowoltaiczne W5-23 WNZ US,

25 Elektrownie słoneczne Nazwa Kraj Moc szczytowa (MW) GW h/rok Uwagi Olmedilla Photovoltaic Park Hiszpania Puertollano Photovoltaic Park Hiszpania Moura photovoltaic power station Portugalia Waldpolenz Solar Park Niemcy Arnedo Solar Plant Hiszpania Merida/Don Alvaro Solar Park Hiszpania Planta Solar La Magascona Hiszpania 30 Planta Solar Ose de la Vega Hiszpania 30 SinAn power plant Korea W5-24 WNZ US,

26 Energia jadrowa ograniczone zasoby surowców bezpieczna dla środowiska chyba że... koszty produkcji - rozsadne praktycznie natychmiast zmieniana na energie elektryczna zapewniona ciagłości wytwarzania problem ze zużytym paliwem jadrowym debski@igf.edu.pl: W5-25 WNZ US,

27 Proces rozszczepiania W5-26 WNZ US,

28 Proces rozszczepiania W5-27 WNZ US,

29 Proces rozszczepiania W5-28 WNZ US,

30 Proces rozszczepiania W5-29 WNZ US,

31 Proces rozszczepiania W5-30 WNZ US,

32 Proces rozszczepiania W5-31 WNZ US,

33 Proces rozszczepiania W5-32 WNZ US,

34 Inne źródła energii - energia falowa debski@igf.edu.pl: W5-33 WNZ US,

35 Inne źródła energii - energia falowa debski@igf.edu.pl: W5-34 WNZ US,