Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και Φυσική

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και Φυσική"

Σταμάτιος Ζάρκος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και Φυσική Δημήτριος Βλάχος Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

2 Προβλήματα της ανθρωπότητας 1. Ενέργεια 2. Νερό 3. Τρόφιμα 4. Περιβάλλον 5. Φτώχεια 6. Πόλεμος 7. Ασθένειες 8. Εκπαίδευση 9. Δημοκρατία 10. Υπερπληθυσμός

3 Τι είναι η ενέργεια; Ενέργεια Ενεργός Η ικανότητα παραγωγής έργου Ο έχων την ικανότητα να παράγει έργο Ενέργεια, Έργο, (Joule, cal, ev)

4 Ιδιότητες της ενέργειας Ένα σύστημα μπορεί να αποκτήσει ή και να απολέσει ενέργεια μέσω διαφόρων διεργασιών. Η ολική ενέργεια του σύμπαντος διατηρείται σταθερή. Δεν δημιουργείται, δεν καταστρέφεται. Η ενέργεια παρουσιάζεται με διάφορες μορφές. Μια μορφή ενέργειας μπορεί να μετατρέπεται σε άλλες μορφές.

5 Μορφές ενέργειας κινητική δυναμική ηλεκτρική θερμική χημική πυρηνική φωτεινή αιολική ακουστική ηρεμίας U K m U mgh 1 qq 4 r E mc E Q c ΔΤ E hv mc V 2 W F. dr 1 (1 ( / c) 2 1

6 Μετατροπές ενέργειας Δυναμική + Ηρεμίας Κινητική + Δυναμική + Θερμότητα + Ηρεμίας Κινητική +Δυναμική + Θερμότητα + Φωτεινή + Ακουστική + Ηρεμίας Κρατς

7 Από πού αντλούμε ενέργεια; Καθημερινώς kcal (χιλιοθερμίδες)

9 Γιατί ανανεώσιμες πηγές ενέργειας; Πλεονεκτήματα Ενέργεια από το φυσικό περιβάλλον Δεν μολύνουν το περιβάλλον Ανεξάντλητες Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος Τεχνικά προβλήματα (αποθήκευση ενέργειας) Προβλήματα οικονομίας και αισθητικής

10 Ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ήλιος Άνεμος Κύματα Νερό H 2 Γεωθερμία Βιομάζα Υδρογόνο

11 Ηλιακή ενέργεια Φωτοβολταϊκό στοιχείο Ηλεκτρική ενέργεια Φως και θερμότητα

12 Είναι αρκετή η ηλιακή ενέργεια; ΝΑΙ! Αιολική Σήμερα, 15 ΤW Ηλιακή Γεωθερμική Παγκόσμια κατανάλωση 2050, 30 ΤW

13 Φωτοβολταϊκά στοιχεία (ΦΣ) Φωτοβολταϊκό φαινόμενο: Μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική Alexandre-Edmond Becquerel (FR, 1839) P εισερχόμενη P εξερχόμενη Απόδοση n P output P input ΦΣ

14 Ιστορική αναδρομή των ΦΣ Charles Fritts (US, 1884) επιχρισμένο σελίνιο με Au, n~1% Russell Ohl (US, 1946) ΦΣ πυριτίου (p-n επαφές) Bell laboratories (US) (1954), εμπλουτισμένο πυρίτιο, n~6% Hoffman electronics, (US, 1959) ΦΣ πυριτίου n~10% Zhores Ivanovich Alferov (USSR) (1970), ηλιακά στοιχεία με ετεροδομές GaAs, (βραβείο Nobel Φυσικής το 2000) (US, 1980) To πρώτο ΦΣ με λεπτό υμένιο, Cu 2 S/CdS, n>10% UNSW (AU, 1985), Stanford University (US, 1985), ΦΣ πυριτίου, n>20% Applied Solar Energy Corporation (US) (1988) GaAs απλής επαφής, n=17%, (1993) GaAs διπλής επαφής, n=20% NREL (US, 1995) ΦΣ λεπτών υμενίων Cu(InGa)Se 2, n=19% EPFL (CH, 1996). ΦΣ με φωτοευαίσθητη βαφή (dye sensitized), n=11% Emcore Photovoltaics and Spectrolab (US) (2007) GaAs τριπλής επαφής, n=28%.

15 Πως μετατρέπεται το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα; Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο hv Ε Κ Heinrich Rudolf Hertz (GE, 1887) Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921 Albert Einstein (GE, 1905) hv > Φ e hv, προσπίπτουσα ακτινοβολία Φ e, έργο εξόδου επιφάνειας Ε Κ = hv Φ e, ενέργεια φωτοηλεκτρονίου

16 Από τα άτομα στα στερεά Ε n. Ε 2 Ενεργειακές στάθμες Άτομο Ε 1 Ενεργειακές ζώνες Στερεό

17 Ημιαγωγός hv > E g Ζώνη Αγωγιμότητας e Ενεργειακό χάσμα, E g e Ζώνη Σθένους e h Ατομικές ενεργειακές στάθμες T= 0 K RT

18 Πρώτης γενεάς ΦΣ (Si) Πως λειτουργεί ένα ΦΣ (Si); Φως Γυαλί Μεταλλικοί ακροδέκτες Φωτο-οδηγός Si p τύπου Ζώνη απογύμνωσης (E=0.7 V) Si n τύπου Μεταλλική βάση

19 Δεύτερης γενεάς ΦΣ Τεχνολογία λεπτών υμενίων (χαμηλό κόστος) Άμορφο Si Τελουριούχο κάδμιο (CdTe) Σελινιούχος χαλκός ίνδιο γάλλιο, CuIn x Ga (1-x) Se 2, (CIGS)

20 Τρίτης γενεάς ΦΣ Βελτιστοποίηση των 2G ΦΣ (χαμηλό κόστος, υψηλή απόδοση, n=40%) Πολύ-επαφές GaAs ΦΣ (n~41%) ΦΣ φωτοευαίσθητων χρωστικών ουσιών και λεπτών υμενίων πολυμερών (dye and polymer thin-film solar cells) Συγκέντρωση φωτός (φακοί) Θερμική διέγερση φορέων φορτίου

21 Εφαρμογές ηλιακής ενέργειας Διάστημα Οικιακή χρήση Μεταφορές 2012, 100 GW

22 Αιολική ενέργεια Μηχανική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια Άνεμος 2012, 283 GW

23 Ανεμογεννήτρια

24 Αρχή λειτουργίας ΑΓ Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή Νόμος Faraday E t E, η ΗΕΔ επαγωγής Φ Β, η μαγνητική ροή N Michael Faraday (UK, 1831) I B ω Ε=-ΒΑsinωt S

25 Υδρογόνο - Στοιχεία Καυσίμων Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω χημικής αντίδρασης Η 2 + Ο Η 2 Ο kj/mole H 2 H + H Ηλεκτρική ενέργεια O 2 O + O H p + + e - Η 2 περίσσεια - e Η 2 - O Ο p O -2 O -2 H O H O + 2e - O -2 H 2 O + θερμότητα Καταλύτης Άνοδος (+) Κάθοδος (-) Ηλεκτρολύτης

26 Προβλήματα των ΣΚ Παραγωγή υδρογόνου Ηλεκτρόλυση με ηλιακή ενέργεια Μεθάνιο Οξείδωση άνθρακα Αποθήκευση υδρογόνου Υψηλή πίεση Υγροποίηση Χημικές ενώσεις Καταλύτης (Pt, Pd, Ni, NiO, κ.α) Μικρή πυκνότητα ενέργειας

27 Εφαρμογές ΣΚ υδρογόνου

28 Συμπεράσματα Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι μονόδρομος. Ανάγκη για μείωση του κόστους. Ερευνητική προσπάθεια.

29 Σας ευχαριστώ για την προσοχή!

30 Κόστος ανανεώσιμης ενέργειας Τύπος Ενέργειας USD cents/kwh Υδροηλεκτρική 2-12 Κυματοηλεκτρική Φωτοβολταϊκή Αιολική 5-23 Βιομάζα 6-20 Γεωθερμία 6-13 REN Renewables 2013 Global Status Report (Paris: REN21 Secretariat).

Σχετικά έγγραφα

Εφαρμογές των Laser στην Φ/Β τεχνολογία: πιο φτηνό ρεύμα από τον ήλιο

Εφαρμογές των Laser στην Φ/Β τεχνολογία: πιο φτηνό ρεύμα από τον ήλιο Μιχάλης Κομπίτσας Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, Ινστιτούτο Θεωρ./Φυσικής Χημείας (www.laser-applications.eu) 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΤΗΣ ΟΜΙΛΙΑΣ 1.