Miljöfysik. Föreläsning 1. Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska kvantiteter Jordens energibudget

Miljöfysik Föreläsning 1 Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska kvantiteter Jordens energibudget

Miljöfysik FK4024 7.5 hp Tre delar Del 1 : Miljöfysik (D. Milstead ) Del 2 : Klimatet (L. Megner) Del 3 : Meteorologi, luftförenginar (P. Glantz, K. Elihn) Kursbok : Miljöfysik : Energi för hållbar utveckling (M. Areskoug Studentlitteratur) + kompendium Mondo : FK4024

Föreläsningsplan: Del 1 Ämne Kursbok (Kap.) Miljöfysik, materia-energi-liv 1-2 Växthuseffekten 4.1-4.6 UV-strålning och ozonskiktet, fossilenergi 5.1, 6.1-6.2 Att utnyttja solenergi 7.1-7.3 Solvärme 8.1-8.4 Solel 9.1-9.5 + 2 räkneövningar och en sammanfattningsföreläsning Värme från luft, mark och vatten 10.1-10.4 Vattenergioch vindenergi, bioenergi 11.1-11.3, 12.1-12.3 Kärnenergi 13.1-13.6 Obs! Provisorisk! Energikvalitetoch energihushållning 14 Energi 16 Materia 17 Strålning 18

Undervisningsplan: Del 2 Dagc Morgon Eftermiddag Egen inläsning Måndag Nutida och historiska klimatförändringar Introduktiontill jordens atmosfär Kolets kretslopp Tisdag Strålningsbalansen mellan solenoch jorden Onsdag Vad är en växthusgas? Vad kan vi lära oss från jordens utstrålningspektrum? Torsdag Klimatsystemets forcings Klimatsystemets feedbacks Datorlabb:Vad händer med koldioxiden? Räkneövningar på strålningsbalans (ger poäng på tentan) Räkneövningarpå planetära strålningsspektrum Förberedelse till debatt Miljöfysik s 47-65 En ännu varmare värld s 22-25 En ännu varmare värld s 50-55, 58-63 Förberedelse till debatt Fredag Framtidsscenarios Debatt (obligatorisk) IPCC rapporten

Undervisningsplan: Del 3

Betygskriterier

Miljöfysik Miljövetenskap Natur Fysik Energi och energiomvandlingar Människa Teknik Samhälle Energiresurser Miljöfysik Fysikaliska möjligheter och begränsningar Energianvänding

Grundläggande begrepp energi och effekt Energi, W, är en viktig fysikalisk storhet Olika typer: potentiell energi, kinetisk energi, kemisk energi osv. Den totala energin är alltid bevarad Enheter: Joules (SI), kwh, ev, Cal 1 cal =4.184 J 1J = energin som behövs för att lyfta 0.1kg höjden 1m. Effekten, P, = mängden energi som omvandlas per tidsenhet P mängden energi som omvandlas W = = omvandlingstiden t Enheter: Watt 1W= 1 Joule per sekund

kwh och ev kwh är en vanlig energienhet när man diskuterar energianvändning: 1 kwh =1000 Wh = 1000 W 3600 s =3 600000 W s = 3.6 MJ ev används när man diskuterar atomer: 18 1 ev = 1.602 10 J

Energiflöde Energiflöde φ beskriver transport av energi. Energi kan förflyttas från en punkt i rummet till en annan på flera olika sätt (t.ex. strålningsenergi flödar genom rymden från solen till jorden). φ = W = t J Enhet: =W s Energimängden som förflyttas förflyttingstiden Begreppet energiflöde svarar mot transport av energi. Begreppet effekt svarar mot omvandling av energiform till en annan.

Fråga För att värma en villa under vinterhalvårets 180 dagar behövs 20000 kwh. All denna energi transporteras ut genom väggar, fönster, ventiler osv. Vad är medelenergiflödet från huset under vintern?

Intensitet Intensitet S är ett mått på hur koncentrerat i rummet ett energiflöde är vilken area Aden är fördelad över. S Energiflödet φ = = Area A Enheter W m 2.

12 (1 TW = 10 W) Fråga Det energiflöde från solen som träffar jorden är 174000 TW. Vad är intensiteten?

Sammanfattning Storhet Beskrivning Enhet Samband Exempel Energi Effekt Abstraktbegrepp som kan användas för att beskriva förändringar i ett system. Finns i olika former, som kan omvandlas till varandra. Energiomvandlingsh astighet Energiflöde Energitransporthasti ghet Intensitet Energiflöde per areaenhet J, kwh, 1kWh = 3.6 MJ W=Pt Kemisk energi i 1 liter bensinär ~ 10 kwh J/s = watt,w P=W/t En glödlampa på 100 W omvandlar varje sekund 100 J elenergi till ljus och värme J/s = watt, W φ=w/t Energiflödetfrån solen till jorden är ~170000 TW Watt per kvadrat mater, W/m 2 S=φ/A Solstrålningens intensitet är ~1400 W/m 2

Termodynamikens huvudsatser Nollte huvudsatsen Om två termodynamiska system är i termisk jämvikt med ett tredje, då är de även i termisk jämvikt med varandra. Termisk jämvikt -> föremål has samma temperatur- Första huvudsatsen Energi kan varken skapas eller förstöras, den kan endast byta form.

Termodynamikens huvudsatser Andra huvudsatsen Värme flödar aldrig av sig själv från en kallare kropp till en varmare. Detta innebär att den total entropin i universum blir större Entropi = oordning

Temperatur Termodynamiska kvantiteter Ett mått på det som uppfattas som värme och kyla. Celsiusskalan Kelvinskalan T T K C Fahrenheitsskalan = T + 273.15 C T F 9 = TC + 32 5 Termisk energi kallas också "värme" Termisk energi = Temperaturökning molekylers och atomers kinetiska och potentiella energier För att höja temperaturen på en kropp behövs en energimängd Qsom beror på kroppens massa m, temperaturökningen T och en materialegenskap, specifika värmekapacitenten c. Q = m c T

Termodynamiska kvantiteter Förångning Q = energin som behövs för att förånga en viss vätska med massan m Q = I m I = specifika ångbildningsvärmet för vätskan. g g Smältning Q = energi som behövsför att lösgöra molekyler eller atomer från varandra vid processen: Fast flytande Q = I m I = specifika smältvärmet för föremålet. s s

Storhet Beskrivning Enhet Samband Termisk energi (värme) Sammanfattning Den totala (potentiella + kinetiska ) energin av alla molekyler + atomer i ett system. J Specifika värmekapacitet c Materialegenskap som bestämmer hur mycket energi behövs för att öka temperaturen. J kg -1 K -1 Q=mc T Specifika ångbildningsvärmet I g Enegenskapav en vätska som bestämmer hur mycket energi behövs för att förånga vätskan. J kg -1 Q=I g m Specifika smältvärmet I s Enegenskapav ett material som bestämmer hur mycket energi behövs för att förånga vätskan. J kg -1 Q=I s m

Varifrån kommer vår energi? Fossilenergi Flödande energi (förnybar energi) Kärnenergi Fossilenergi Kärnenergi Förnybar energi Total 117 076 8283 18492 143851 9 10 kwh Energin som används varje år av jordens befolkning.

Jorden i energiflödet från solen Geotermisk energi Jorden får energi och emitterar energi.

Jorden i energiflödet från solen Energin fördelas på mer och mer material och blir alltmer utspridd. Energiflödet, mängden energi som per sekund når jorden ~ 174000 TW 12 1 TW = 10 W

Användningen av energiflödet Solen ger jorden ett inkommande energiflöde =174000 TW 50% når jorden 0.1% omvandlas av växterna till kemisk energi. Bidraget av energiflödet till vår energianvänding : Solenergi (solfångare osv)=0.002 TW Vind-, vattenkraftverk = 0.3 TW Biobränsle =1.5 TW ( Geotermiska processer = 0.005 TW) Total 2 TW 0.001% av energiflödet

Befolkningens effekt Befolkningens effekt =14 TW Vi utnyttjar ständigt effekten i tekniska anordningar för uppvärmning, transport, industri osv. Från energiflödet 2 TW Fossila bränslen 11 TW Lagrad energi (gammal solenergi i växtdelar). Kärnenergi ~ 1 TW

Energiflöden på jorden Människorsbiologiska effekt (från mat) Tekniskeffekt (uppvärmning, transporter, industri) Växternabinder (fotosyntesen) Energiflöde totalt (TW) 0.6 100 14 2300 200 33000 Effekt per person (W) Solenergi som når jorden 100000 17000000 Vi en använder en liten del av den totala energin som kommer till jorden. Husuppvärmning, bilar osv vi förbrukar 20 gånger mer energi än vad vi behöver som biologiska varelser. (I Sverige är det 60gånger).

Förnybar energi geotermisk energi Temperaturer i jorden Temperatur Djup 2000 km 4000 O C 5000 O C 4000 km 6400 km Stora temperaturer men geotermisk energi bidrar en liten del av vår energibudget

Fråga Energibehovet för en fullvuxen person är 2000 kcal per dag. (a) Beräkna manniskokroppens effekt. Beräkna den uttryckt i watt! (b)antag att en person, liksom de gröna växterna, kunde leva på vatten, luft och solenergi. Hur stor kroppyta behöver en person. Antag att en person kan utnyttja solenergin till 100%.

Fråga Fotosyntesen är den process där levande organismer tar hand om energi från ljust och lagrar den i kemiska bindningar. Hur kan man se på en grön växt att fotosyntesens effektivitet är mindre än 100%?

Sammanfattning Grundläggande begrepp Energi, effekt, energiflöde, intensitet + kvantiteter som bestämmer energin som krävs för att ändra ett fysikaliskt system. Termodynamiska lagar Energiflödet från solen Jordens energibudget Användningen av flödet Befolkningens energianvändning

Miljöfysik Föreläsning 2 Det elektromagnetiska spektrumet Svartkroppar Växthuseffekten

Grundläggande begrepp det elektromagnetiska spektrumet Ljus kan betraktas som en våg. Synligt ljus är en liten del av spektrumet

Våglängd vs temperatur Temp. i de röda områdena > Temp. i de svarta områdena λ λ röd svart 7 6 10 m (synligt ljus) 7 9 10 m (osynligt ljus : Infrarött ljus) Våglängden av emitterat ljus beror på kroppens temperaturen.

Svartkroppar En "svartkropp" emitterar elektromagnetiska strålning. En svartkropp absorberar allt ljust den träffas av och strålar värme enligt en viss fördelning (svartkroppesfördelning) som beror på föremålets temperatur. Många exempel på svartkroppar : planeter, solen, våra egna kroppar.

Två viktiga ekvationer 3 Wiens strålningslag : maxt = 2.90 10 mk λ max = våglängdens topp, T = föremålets temperatur Stefan-Boltzmanns lag: 4 [ ] σ = Stefan-Boltzmanns konstant = 5.67 10 λ P = σt P = Effekt/area (emitterad energi/tid /area), 8-2 -4 Wm K

Fråga Stolens maximala intensitet för λ 500 nm. (a) Uppskatta solens temperatur (b)vilken färge svarar emot denna våglängd? (a) T 3 3 2.9 10 2.9 10 = = 6 10 9 λ 500 10 max (b) 500nm turkos Varför är solen gul?? 3 K

Energin på jorden Solen strålar ut isotropiskt Effekt/area som träffar jorden S = Wm 0 2 1400. Jorden reflekerar bort en andel av ljuset: α 0.3 Jorden ser ut som en 2-D "skiva": A = π R e ( ) 2 Solens utstrålning som aborberas av jorden = 1 α S0π R e 2 17 = W 1.2 10

Jordens temperatur Energin från solen som aborberas av jorden : 17 = 1.2 10 W =Energin som emitteras av jorden Stefan-Boltzmanns lag Emitterad energi/area = σt T e = jordens temperatur Emitterad energi = σt 4 π R = 1.2 10 4 2 17 e e 1 17 4 17 1.2 10 1.2 10 Te = 2 = = 8 6 σ 4π Re 5.67 10 4π 4.6 10 W 4 e 1 4 255K= -18 O C

Jordens temperatur O -18 C är en uppskattning. Den är inte en dålig uppskattning men den är inte det O korrekta värdet på jordens yttemperatur: 15 C. Varför finns det en skillnad mellan uppskattningen och mätningen?

Växthuseffekten Infraröd strålning som emitteras av jorden absorberas av växthusgaser i atmosfären t.ex. CO Strålningen skickas tillbaka till ytan. 2.

Växthuseffekten Atmosfären absorberar IR-strålning Atmosfären får högre temperatur Atmosfären avger IR-strålning Jorden avger IR-strålning Jorden får högre temperatur

Växthuseffekten Strålning från solen Strålning från jorden Växthusgaser : CO, H O.. 2 2

Växthuseffekten i solsystemet Jorden,mars och venus ligger vid samma distans från solen. Planet Distans från solen / 10 9 m T K (uppskattad) T K (mätvärde) Jorden 150 255 288 Mars 228 211 230 Venus 108 227 760 Uppskattning funkar lite bättre för mars än jorden men den funkar inte alls för venus!

Venus Venus atmosfär : 90 gånger tätare än jordens atmosfär Består nästan helt av koldioxid Moln av svavelsyra Växthuseffekten höjer planetens temperatur. cv cv

Fråga Hur funkar växthuseffkten i ett växthus?

CO 2 -mätningar Iskärna (ett prov från en glaciär). Instängda luftbubblor Historiska temperatur, CO temperatur-mätningar 2 - och Tidslängden upp till 800000 år. CO2 halten har nått en rekordnivå.

CO 2 och temperatur Hur CO 2 påverkar klimatet är ett viktigt ämne Mer i Del-II

Sammanfattning Solen och planeterna kan betraktas som svartkroppar. Wiens och Stefan-Boltzmanns lagar kan användas för att förstå temperaturer och strålning. Växthuseffekt viktigt höja temperaturer för planeter som har atmosfär.

6 6

Fråga Solens radie är 6.96 10km. 8 Distansen från solen till jorden är 1.50 10 km. Visa att det elektromagnetiska intensitetet från solen är 1.3 kw vid jorden.

Miljöfysik Föreläsning 3 Solspektrum Ozonskiktet Värmekraftverk Energikvalitet Exergi

Ozonskiktets uttunning Ett allvarligt globalt miljöhot Ökad UV-strålning Kan skada levande celler, t.ex. hudcancer Absorptionen i atmosfären kan påverkas av mänskliga aktiviteter

Solspektrum Solspektrum utanför atmosfären och vid jordytan. Spektrum utanför atmosfären skiljer sig något från svartkroppsspektret. Vissa våglängder absorberas i solens yttre skikt.

Att absorberar strålning Strålning från solen UV Strålning från jorden IR, UV och kortare våglängder i atmosfär kan absorberas. Ozon (O 3 ) är viktigt i UV-området. Koncentrationen Växthusgaser är störst : CO i ett, skikt H O.. 20-30km ovan mark. 2 2

Fördelning av solstrålningens energi på olika energier Benämning Våglängd /nm Absorptioni atmosfären Andel av energi i solspkekret vid jordytan /% UV-C 200-280 Fullständig 0 Stark Biologisk skadeverkan UV-B 280-320 Delvis 0.5 Betydlig UV-A 230-400 Svag 4 Svag Synligt 400-700 Svag 53 IR >700 Delvis 43

Att bilda och att förstöra ozon Att bilda ozon UV-strålning sönderdelar en syremolekyl: O 2 OO (p.g.a. foton λ<240 nm) En atom och en molekyl växelverkar för att bilda ozon. O + O O 2 3 NO NO + O 2 O + O O 2 3 (foton, synligt ljus) Att förstöra ozon O O + O 3 2 O + O 2O 3 2 (foton λ<300nm)

CFC gaser CFC gaser : clorine, fluor, carbon. Användes för brandsläckning, i sprayburkar m.m. Mycket stabila - kan förflyttas upp till stratosfören (10-50 km) Användning av CFC förbjuden (med vissa udantag). Med hjälp av UV-ljus kan kloratomer frigörs. CCL F CCLF + Cl 2 2 2 CL + O ClO + O 3 2 CLO + O Cl + O 2 (p.g.a. foton λ<340 nm) Nedbrytningen gynnas av låga temperaturer i ismoln (ozonhålet ses vid sydpolen i vinter).

Fråga O För att värma en liter rumstemperat vatten till 100 C behöver man 300 kj som oordnade molekylrörelse. Antag att vi kunde ordna så att alla vattenmolekyler plötsligt fick sin rörelse i samma riktning. Vad är kastrullens hastighet? Man får försumma kastrullens massa. Termisk energi oordnade rörelse Om vi kan förvandla oordnade rörelse till ordnade rörelse blir det användbart om vi vill t.ex. flytta på någonting eller driva en motor. Vi kan göra dessa omvandningar (t.ex. en ångturbin iett värmekraftverk).

Värmekraftverk Värmekraftverk Man omvandlar termisk energi till kinetisk energi. Vattenånga med högt tryck sätter ett turbinhjul i rotation. Turbinhjulet sitter på samma axel som en elektrisk generator. Varför skulle värmekraftverket (ovan) inte fungera?

Värmekraftverk En tryckskillnad behövs för att driva hjulen. Trycket måste sänkas på turbinens utloppssida. Man måste kyla ångan med en värmeväxlar (vattnet från havet kan användas). För att få ett värmekraftverk som funkar måste vi förlora energi (spillvärme)

Verkningsgraden Man kan bara omvandla en del av den termiska energin Q till den användbara kinetisk energin W. Resten omvandlas till oanvändbar spillenergi Q 2. 1 W Verkningsgraden η= ; Q Q η= Q Q 1 2 1 1 W = Q Q 1 2

Carnotverkningsgraden Ju större temperaturskillnaden T T är desto större tryckskillnaden 1 2 mer kinetisk energi som man kan få ut. Den teoretiskt högsta möjliga verkningsgraden : Carnotverkningsgraden η max T T T T T 1 2 = = 1 1 (temperaturer i kelvin)

Fråga O Ett kärnkraftverk har typiska värden T = 285 C och T = 100 C. Vad är carnotverkningsgraden? O 1 2

Energikvalitet och exergi Betrakta enenergimångd på 100 J från ångpannan genom turbinen. Antag att η=0.3. Q = 100 J, W = 30 J, Spillvärmen Q = 70 J 1 2 Exergi X: Den del av ångans energi som kan omvandlas till kinetisk energi. Anergi X: Resten av energin som bara kan bli spillvärme.

Energikvalitet och exergi Den totala energin: Q = X + A Kinetisk energi kan omvandlas till andra energityper. Kinetisk energi har en hög "kvalitet". Kvalitetsfactor: q = X Q 1 Carnotverkningsgraden η 1 2 q = = 1 1 max hur mycket ordade kinetisk energi man maximalt kan få ut av en viss energimångd. hur mycket exergi som ryms i en viss energimångd. T T T T T

Kvalitetsfaktor Energiform Mekanisk (potentiell, kinetisk) energi Kvalitetsfaktor (omgivningstemp.=27 O C) 1.00 Elektrisk energi 1.00 Solstrålning 0.95 Kemisk energi 0.85-0.90 Termisk energi vid vid 285 0.46 Termisk energi vidvid70 O C 0.13

Fråga Ge exempel som visar kvalitetsfaktorer för de olika energityperna.

Hushållning med exergi och energi 50% av Sveriges energianvändning går till uppvärmningen av bostäder. Hur hög kvalitet behöver vi på denna energi? O O För att upprätthålla rumstemperaturen 20 C vid utetemperaturn -10 C T q = = T 1 1 ( 273+ 20) ( 273 + [ 10] ) ( 273 + 20) ( 273+ 55) ( 273+ 5) ( 273 + 55) = 0.1 O O För att värma vatten till 55 C från kallvatten 5 C T q = = = 0.15 T Lågkvalitet energi kan användas t.ex. varmluft från en värmepump.

Hushållning med exergi och energi Kvantitativket är direktverkande elvärme mycket effektiv. I motståndstråden är processen bara el värme 100% omvandling. Vi bör välja energikälla med en kvalitetsfaktor som är anpassad till energianvändningen. Varför??? Energitillgångarordnade från högre till lägre kvalitet Vattenenergi,vindenergi Kärnenergi Bränslen Solvärme Omgivningsvärme Energianvändning ordad från högre till lägre kvalitet Transporter,mekanisk bearbetning Dator, radio,tv Kemiska processer Belysning Bostadsvärme

Fråga Antag att jag har 20 2 m solfångare på villatak. De ger varmvatten O vid 70 C motsvarande i medeltal 1000 W värmeffekt. Jag får på så sätt varmvatten till bostadsuppvärmning och disk- och badvatten. Jag har också ett vindkraftverk som ger mig 1000 W eleffekt till min dammsugare (jag dammsuger ständigt!). Antag nu att jag vill ha elvärme istället. Jag köper ellement och elektrisk varmvattenberedare, kopplar till vindkraftverket och får precis lika stor värmeeffekt som från solfångaren, 1000 W. Hur skall jag nu få el till dammsugaren? Jag byger några små värmkraftverk som via turbin och generator ger mig el från solvärmen. Medeltemperaturen i omgivningen är T 2 = 0 O C och mitt kraftverk har en termisk effekt som är 1000 W. Räcker det?

Vi behöver vara försiktiga! Frågan visade att efter bytet till elvärme uppstod exergibrist trots tillräcklig tillgång på energi. Detta är inte ett problem om vi skulle ha obegränsad tillgång till el. Vi måste använda energi av lägsta möjliga kvalitet. Spara den högkvalitativa energin till ändamål där den verkligen behövs. Att lägga ner kärnkraftverken skulle sänka mängden högkvalitativ energi.

Sammanfattning Ozonskiktets uttunning äger rum Farligt UV-ljus Värmekraftverk Carnotverkningsgraden Energikvalitet, exergi Kvalitetsfaktorn bör anpassad till energianvändningen.

Miljöfysik: Kärnenergi Föreläsning 4 Enheter Kärnreaktion Fission Kärnkraftverk

Enheter I denna föreläsning använder vi ev, MeV osv. 19 1 ev = 1.602 10 J

Kärnrekationer En transmutation är när ett grundämne eller en isotop omvandlas till ett annat grundämne eller en annan isotop. Vi kan orsaka en transmutation via en kärnrekation. T.ex. den första inducerade transmutationen i ett labatorium (1919) α + N O + p 4 14 14 1 2 7 8 1 Betrakta en kärnreaktion när partikel a växelverkar med en kärna En ny partikel b och en ny kärna Y. a + X Y + b X.

Reaktionens energi Q bestäms av masskillnaden mellan partiklar i början och slutet. ( ) Q = mc = m + m m m c 2 2 a X Y b Q > 0 exotermisk reaktion energin släpps ut som kinetisk energi och γ -strålar. Q < 0 endotermisk reaktion den inkommande partikar måste ha en total energi som är Q för att tillåta reaktionen att äga rum. Q = 0 Den totala kinetiska energin förändras inte.

Fråga 7 En proton krocker med en partiklarna omvandlas till två α-partiklar. Vad är reaktionens energi? Li kärna. De inkommande

Radioaktiva isotoper Man kan skapa radioaktiva isotoper artificiellt via kärnreaktioner. T.ex. 27 30 1 13 15 0 30 15 Al + α P + n P P sönderfaller snabbt via ett β-sönderfall + Si + β + ν 30 30 15 14 e Såna reaktioner används som biologiska "spårämnen".

Fission Fissionen upptäcktes 1938 av Otto Hahn, Fritz Strassman och Lise Meitner. ( ) ( ) 238 235 I naturen består U av 2 isotoper: U 99.3% och U 0.7%. De båda isotoper splittras om de växelverkar med neutroner (s.k. inducerad fission) T.ex. n + U U Ba + Kr + 3 n 1 235 236 * 144 89 1 0 92 92 56 36 0 n + U U Xe + Kr + 2 n 1 235 236 * 144 94 1 0 92 92 54 38 0 200 MeV kinetisk energi släpps ut. Obs! 1 inkommande neutron men 2-3 neutroner kommer undan!

En kaskad av radioaktiva sönderfall äger rum Xe Cs Ba La Ce 140 140 140 140 140 54 55 56 57 58 16s 66s 13d 40h

Mer än 100 olika typer av kärnor har hittats som fissionfragment.

Varför släpps energin ut efter fission? B A = bindningsenergi per nukleon (proton/neutron) De lätta kärnorna Ba och Kr har större bindningsenergi per nukleon än U. A

Energin som släpps ut Bindningsnergi per nukelon för U 7.6 MeV. Bindningsnergi per nukelon för kärnor med antalet protoner mellan 90 and 150) 8.5 MeV. Energin som släpps ut 236 (8.5 7.6) = 200 MeV. 70% släpps ut som kinetisk energi av kärnor. 30% släpps ut som emitterade neutroner, β, γ -strålar. Jämför med urans "kemiska energi". Förbränningsprocessen U + O UO 2 2. 1 ev per atom släpps ut << fissionenergi (200 MeV)

Att förstå fission med vätskedroppsmodellen av kärnan Betrakta kärnan som en vätskedropp som bär en elektrisk laddning. (a) En U absorberar en neutron 235 236 * (b) Den extra energin ledar till oscilleringar (c) Repulsionen mellan de två "flikarna" ledar till en splittring. U

Kedjereaktion! 1 neutron går in, 2-3 neutroner går ut! De inducerar fission i andra kärnor. En kritiskmassa krävs för att tillåta processen att öka med tiden. Det beror på materialet, geometrin och utrustningen. Processen används i kärnkraftverk och atombomber.

Kontrollerad fission -kärnkraftverk 235 I genomsnitt får man 2.5 neutroner i en U fission. Fission äger rum i reaktorns härd som kyls av vatten. Kontrollstav (bor) absorberar neutroner som sänker reaktions farten. Det är mer sannolikt att långsamma neutroner inducerar fission. Kollisioner med en moderator sänker farten. Reaktorn värmer vattnet och ånga driver turbiner som producerar effekt.

Vad kan gå fel? 15% av energin med β -sönderfall. När kedjereaktionen har stoppats med kontrollstav fortsätter värmeproduktionen. En 3000-MW reaktor ger 200 MW som β-sönderfall. Om kylande vatten inte funkar en härdsmälta. En ofullständig härdsmälta skedde på "Three mile island" (1979)

1986 - Tjernobyl Den värsta olyckan -Tjernobyl Ett test av härdens kyland system. Dålig konstruktion och mänskligt fel. För många kontrollstavar drogs tillbaka för att 135 kompensera Xe som absorberar neutroner. Effekten ökade från 1% till 100 gånger normal effekt i 4 sekunder. Vattenånga-sprängningen förstörde taket! Grafit-moderatorn fattade eld en härdsmälta.

Interaktiv kärnkraftverk http://www.ida.liu.se/~her/npp/demo.html

Fråga Uppskatta massan hos ett 235 U-prov som krävs varje dag för att ge 3000 MW av termisk energi via fission. Den totala energin varje dag E = 3000 10 24 60 60 = 2.59 10 6 14 J. 200 MeV släpps ut vid varje fission 14 2.59 10 Antalet urankärnor = 200 10 1.602 10 U 6 19 = 24 8.0 10. 235 27 25 Massan hos 235 1.66 10 kg = 3.9 10 kg. Massan av uranprovet = = 24 25 8.0 10 3.9 10 3 kg

Sammanfattning Kärnreaktioner ger transmutationer Kedjereaktion med inducerad fission ~200 MeV per fission Kärnkraftverk utnyttjar fission Olyckor kan äga rum!.

Miljöfysik Föreläsning 5 Kärnenergi Hanteringen av avfall Radioaktivitet Dosbegrepp Strålningsmiljö Fusion

Kontrollerad fission -kärnkraftverk 235 I genomsnitt får man 2.5 neutroner i en U fission. Fission äger rum i reaktorns härd som kyls av vatten. Kontrollstav (bor) absorberar neutroner som sänker reaktions farten. Det är mer sannolikt att långsamma neutroner inducerar fission. Kollisioner med en moderator sänker farten. Reaktorn värmer vattnet och ånga driver turbiner som producerar effekt.

Energikällor

Kärnkraftverk i världen

Fråga Ange tre fördelar och tre nackdelar med kärnenergi.

Fråga Tror du att verkningsgraden i ett kärnkraftverk är högre eller lägre än verkningsgraden i ett kolkraftverk?

Radioaktivt avfall Radioaktivt avfall är radioaktivt material, en restprodukt. Lågaktivt avfall Kärnkraft, sjukhus. T.ex. gamla skyddskläder Bör förvaras 20-40år Medelaktivt avfall Högaktivt avfall Filter och jonbytarmassor. Enstrålskärm (betong) behöver. Bör förvaras > 40 år. Kärnbränsle (klyvningprodukter). Detmåste strålskärmas och kylas. Det bör förvaras i upp till 100000 år.

Farliga fissionsprodukta

Hanteringen av avfall I Sverige : SFR: Slutförvar för radioaktivt driftavfall. Forsmark För låg- och medelaktivt avfall. Anläggningen ligger 60m under havsbotten. Den byggs 1981 - kapaciteten = 63000 m Årligen tar man 1000m 3. 3. Högaktiva i Centralt meanlager för använt kärnbränsle (Clab) Nära Oskarharmn och Kärnkraftverket. > 5300 ton använt kärnbränsle. Materialet ska flyttas till ett slutförvar.

Yucca Mountain En bergsrygg i Nevada. Yucca Mountain Repository - ska användas som ett förvar för använt kärnbränsle och annat radioaktivt avfall. 8 Kapaciteten 1.35 10 kg

Radioaktivitet N = N e N 0 1 2 0 λt = antalet radioaktiva kärnor vid tiden t = N = antalet kvarande kärnor vid tiden t λ = Sönderfallskonstant T ln 2 = = halveringstiden λ 0 N 0 N0 2 T 12 Aktiviteten R = Antalet sönderfall per tidsenhet R = R e R 0 0 λt = aktiviteten vid tiden t = 0 R = aktiviteten vid tiden t Enhet : Becquerel. 1 becquerel =1 Bq = 1sönderfall/sek. α, β, γ -strålning.

Att mäta strålning Strålning ska jonisera en gas. Man mäter en förändring i spänningen. Strålning (en partikel) Anod Strömm ätning Luft eller en annan gas Katod

Alpha-sönderfall Alpha-sönderfall X Y + α α 4 ( = He) För att rymma måste en α partikel besegra en potentialbarrier.den tunnlar igenom barriärn! α-partikel fångad i en kärna. α-partikels typiska energy 4-8 MeV. En α-partikel kan jonisera material. Typiskt räckvidd i luft : 2-4cm.

A A + Z Z 1 e A A Z Z + 1 e ν e X X Y + β + ν Y + β + ν Beta-sönderfall Beta-sönderfall via den svaga kraften = neutrino, ν = antineutrino e En β kan jonisera material. Energi mellan : 100 KeV 10 MeV. Elektroner i materians elektronmoln repelleras. Typiskt räckvidd i luft ~m. Längre räckvidd än en α-partikel Bättre strålskydd behövs.

γ strålar γ -strålar produceras när en kärna deexciteras från en högre till en lägre energinivå. Energierna : 1 kev 10 MeV. Kan ha längre en längre räckvidd än α, β -partiklar. µ x Intensitet: I = I0e ln 2 x1 = = halveringstjocklek : den 2 µ sträcka som gör att intensiteten går ned till hälften.

Dosbegrepp Om en levande organism utsätts för joniserande strålning, kan olika effekter och skador uppkomma. Vi behöver ett begrepp som beskriver omfattningen av bestrålningen, dosen. Absorberad dos D Energimängd Q H = w D w R R som den joniserande strålningen överför i en massa m. Q D = ; enheten : J/kg =Gy (gray) m Ekvivalent dos H α-partiklar stoppas tidigt mer concentrerad energi än β, γ. ( weight, radiation) = 20( α),1( β, γ)

This image cannot currently be displayed. Dosbegrepp Organ ellervävnad w T Könskörtlar 0.20 Röd benmärg 0.12 Tjocktarm 0.12 Lungor 0.12 Mage 0.12 Urinblåsa 0.05 Bröst 0.05 Lever 0.05 Hud 0.01 Övriga organ 0.05

Faktorer som påverkar stråldosen Aktivitet Avstånd Energi Strålslag Tid Skärmning

Strålningsmiljön Källa Ekvivalent dos/msv Naturlig bakgrundsstrålning 1 Radon i bostäder 2 Medicinska undersökningar 0.7 Medicinska behandlingar 0.7 Övrigt 0.1

Fråga 5 Gy är en dödlig dos vid helkroppsbestrålning. Hur mycket ökar kroppens temperatur av denna stråldos? 5J per kg absorberad. Anta att kroppen består av vatten. J Vattnets specifika värmekapacitet c = 4190. O kg C Q = mc T 5 O Temperaturökningen T = = 0.001 C 4190 1 Det är omöjligt att uppfatta joniserande strålning som värme även om man fåren dödande dos!

Hur kan man få kärnenergi? B A = bindningsenergi per nukleon (proton/neutron) De lätta kärnorna Ba och Kr har större bindningsenergi per nukleon än U Fission!! Finns det ett annat sätt att få ut kärnenergi? A

Fusion Bindningsenergi/nukleon ökas med A för lätta kärnor. Fusion av lätta kärnor till en större kärna energibefrielse Vad händer? Om fusion ska äga rum måste kärnorna besegra repulsion-fältet för att bli bundna av den starka kärnkraften. Betrakta två U 1 1 2 1 1 0 H atomer i solen. Om distansen mellan dem = 4 10 Den electrostatiska energin : 15 19 ( 1.602 10 ) e 14 = = = 6 10 J 400 kev 12 15 4πε r 4π 8.85 10 4 10 15 Om distansen 4 10 m U = 0 m 2

Fusion i solen Deuterium-atomer kräver 200 kev för att besegra den potentiella barriären och bilda en ny kärna (He). Medelvärdet på H-energi kt = 200 kev ( k=1.38 10 m kgs K T = 2 10 23 2 2 1 = Bolzmannskonstant) 9 K krävs. 7 Temperaturn inne i solen =1.5 10 K Fusion kt=1.3 kev Distans 9 Det är möjligt vid hög temperatur: 2 10 K. T Fusion äger rum i solen på grund av energifluktuationer och kvanttunnlande processer!

Den proton-proton cykeln i solen + H + H H + e + ν Q = 1 1 2 H + H He + γ Q = 1 2 3 3 3 4 1 1 0.4 MeV 5.5 MeV He + He He + H + H Q = 12.9 MeV e 0.4 MeV 0.4 MeV Den total energin = 24.7 MeV kinetiska energi av reaktion-fragment. 5.5 MeV 12.9 MeV 5.5 MeV Mer energi från e e + annihilation

Fusion som en energikälla Fusion skulle vara en bra energikälla! Ingen förorening i atmosfären. Säker. Radioaktiva fragment sönderfalla snabbt. Följande mekanismer studeras: H + H He + n Q = 3.27 MeV 2 2 3 1 1 2 H + H H + H Q = 4.03 MeV H + H He + n Q = 17.6 MeV 2 2 3 1 1 1 1 2 3 4 1 1 1 2 0 8 Man behöver : höga temperaturer ( > 10 K) som tar bort elektroner från atomerna. Den joniserade gasen blir en plasma. : hög partikeltäthet ( n partiklar/vol) : Lång fångenskap-tid τ för att tillåta reaktioner att ske: Lawsons kriterium nτ > 10 s/m 20 3

Fusion i laboratoriet Joint European Torus (JET) Oxford, UK. Plasma fångas av ett magnetfält 6 och värms till 40-50 grader. 10 Man får energi ut men den är mindre än energin som används för att inducera fusionen. Nästa steg är i Frankrike. International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)

Sammanfattning Kärnenergi ger ett stort bidrag till världens energi Att hantera avfall är ett stort problem Radioaktivitet joniserar material. Många faktorer som bestämmer hur farlig strålning kan vara för oss. Fusion kan kanske ge oss ren energi i framtiden

Miljöfysik Föreläsning 6 Fossilenergi Energianvänding i Sverige och omvärlden Förbränningsmotorn Miljöaspekter på fossila bränslen

Uppkomst och användning Fossila bränslen har uppkommit genom att växt- och djurdelar sjinkit till botten i hav och sjöar, med sediment. Under 50-500 mijoner år utsatts dem för högt tryckt- Ursprunget är fotosyntesen. Vi utnyttjar bränslena ~1000000 gånger snabbare än de bildades. Förbränningsprocessen : kemisk energi termisk energi.

Olika typer av fossilenergi Kol i form av stenkol eller brunkol består av kol med inslag av tungmetaller och svavel. Kan hittas i gruvor. Olja utvinns som råolja (kolväten med olika antal kolatomer). I raffinaderier separeras fraktioner med olika egenskaper. Den används som fotogen, ensin, dieselolja, eldningsolja osv. Olja hittas i sandsten och kalksten. Fossilgasen (naturgas) består av lätta kolväten: 90% - metan. Inslag av etan, propan och butan.

Energikällor

Energikällor -Sverige

Reserver

Förbränningsmotorn Transporter kräver 24% av energianvändning i Sverige. Den dominerande delen sker med bilar med förbränningmotor. Förbränningsmotor: Inre förbränning. Bränslet antänds i en sluten cylinder. Trycket på de heta gaser som uppstår används för att driva ut en kolv ur cylindern. Kolvens rörelse överfers till en roterande axel.

Fyrtaktsmotorn Fyra olika moment (takter), som vardera upptar ett halvt varv av axelns rotation. Två varv (1) Insugning - insugningsventilen är öppen. Kolven rör sig utåt. Cylindervolymen ökar och bränsleblandningen sugs in. (2) Kompression. Båda ventilerna är stängda. Kolven rör sig inåt. Volymen minskar, bränsleblandningen komprimeras.

Fyrtaktsmotorn (3) Expansion (arbetstakt). Både ventilerna är stängfa. Tändstiftet antänder bränslet så att det exploderar näär koven är i sitt övre läge. En kolvätemolekyl flera CO och H O molekyler. Temperaturen 2 2 ökar. Kolven trycks med stor kraft ut och driver med hjäp av vevstaven runt motoraxeln ett halvt varv. (4) Utblåsning. Utblåsningsventilen öppnas och avgaserna trycks ut av kolven när den rör sig in i cylindern. Förloppet upprepas 500-2000 gåner per minut.

Fyrtaktsmotorn

Kretsprocessen De expanderande förbränningsgaserna gör arbete: W = F s s = Den sträcka som kolven förflyttas. Kraften på kolven: F = pa p = tryck, A = kolvens area W = pa s Volymförändring V = A s

Kretsprocessen Arbetet som utförs när gasen expanderar och trycker ut en kolv: W = pdv

Kretsprocessen Under kompressionstakt och expansionstakt beskriver gaserna en kurva i p -V -grafen.

Verkningsgrad Verkningsgraden för en värmemaskin som förbränningsmotorn måste vara mindre än Carnotverningsgraden η max η T T max 1 2 = T T T 1 2 1 = förbränningstemperaturen i motorn. = omgivningstemperaturen I praktiken är verkningsgraden 30%.

Miljöaspekter på fossila bränslen Lokala miljökonsekvenser Kolmonoxid kan bildas om förbränning är inte fullständig Förbränningstemper ledar till att luftgaser reagerar Marknära och farliga kväveoxider, Dellösning: katalysatorn. O 3 Kol och olja innehåller tungmetaller, t.ex. bly, kvicksilver. Dellösning: Elektrofilter i stora förbränningsanläggningar.

Miljöaspekter på fossila bränslen Regionala miljökonsekvenser Kol och olja innehåller svavel. Förbränning: surt regn skogsdöd och döda sjöar i Skandinavian! Dellösningnar: Man väljar fyndigheter med lägre halt av svave. Man kan rena bränslet före förbränning. Man kan rena rökgaserna innan de släpps ut ur skorstenen. Globala miljökonsekvenser Växthuseffekten pga CO Mer i moment-2. 2.

Sammanfattning Fossilenergi utgör idag den totalt dominerande primärenergikällan i världen Exempel: förbränningsmotorn Många miljöproblem med fossilenergi. Många dellösningar

Kursens hemsida

Miljöfysik Föreläsning 7 Att utnyttja solenergi Definitioner Instrålnings vinkelberoende Solfångare

Fråga Verkningsgraden för ett värmekraftverk är typ. <50%. Använd termodynamikens andra huvutsats för att förklara varför vi förväntar oss en låg effektivitet?

Några definitioner Instrålning, Instensitet ( S eller I) Den mängd strålningsenergi (t.ex. UV-ljus)som infaller mot en yta per areaenhet och tidenhet. Enhet: W m 2 Direktstrålning Instrålning direkt från solen. Mätinstrument för direktinstrålning, alltså en riktad mätare som t.ex. ej fånger upp ljus från himlen kallas pyreheliometer. Diffusstrålning Instrålning av reflekterad eller spritt ljus. Det ljus (och annan strålning) som kommer från himmel, moln och mark m.m. utgör tillsammans den diffusa instrålningen.

Några definitioner Totalinstrålning Summan av direkt och diffus instrålning mot en yta t.ex. en solfångare. Mätinstrument kallas pyranometer eller solarimeter. Globalinstrålning Totalinstrålningen mot en horizontell yta.

Att mäta direkt solinstrålning Termisk pyrheliometer En liten cylinder. Solljus gå in i apparaten gemom ett fönster och skickas till en elektronisk maskin som förvandlar termisk energi till elektrisk energi.

En dag med klar sol : Några standardvärden på instrålning 2 Totalstrålning 1000 W/m vinkelrätt mot solriktningen. Utanför atmosfären 1360 W/m 2 = solkonstanten I Sverige: 2 Total instrålade energin under ett år mot markytan 1000 kwh per m, år. Kring ekvatorn: 2 2500 kwh per m, år

Instrålningens vinkelberoende Infallsvinkeln - viktig faktor som bestämmer nettoenergin vid alla former av solenergiutnyttjande. φ = 0 P A φ = π 2 S = 0 φ S = P A S = P A sinα

Absorption i atmosfären Den direkta instrålningen sprids och absorberas på sin väg genom atmosfären. Den absorberade energi i varje litet skikt inkommande energi Intensitet : I = I e I 0 0 µ x = Intensitet utanför atmosfären x= Sträcka genom atmosfären I = Instensitet efter sträckan x µ =atmosfärens absorptionsfaktor, relevant om vi antar konstant täthet. Bör vi anta att atmosfärens täthet är konstant?

Luftmassa, air mass Luftens täthet avtar snabbt vid ökande höjd luftmassa (air mass) m istället för sträckan genom atmosfären. m = L 0 L L 0 = sträckan när solen står i zenit. L = L sin 0 α 1 m = sinα α = "solhöjd" L 0 L

Direktstrålning som funktion av solhöjd I = I e 0 λm λ = konstant, m=luftmassa

Solhöjdens variation under dagen och året Solhöjden= α beror på ortens latitud, tid på året och tid på dagen. Umeå Skillnader inom sosverige. North 180 o Ystad East -90 o West -90 o South 0 o

Fråga o En solfångare i Stockholm är riktad mot söder och lutar 45 mot jordytan. Hur många procent förlorar man av instrålningen jamfört med att rikta den så att solljuset faller in vinkelrätt vid middagstid? Antag är datumet är den 16 juni och det är kl 9.

North 180 o Umeå East -90 o West +90 o Area A = South 0 o O O ( 0,sin 45,cos 45 ) Solens höjd i Stockholm 45 Solens ljus i riktning: s r O O O O O ( sin 45 sin 55,sin 45 cos55,cos 45 ) Intensiteten som mäts: 1 O 1 S= A sr = IO cos55 + 2 2 I = Intensiteten när solljuset faller invinkelrätt O = vid middagstid 2 Man förlorar so 1.0 - cos55 O + 1 O ( ) Ystad

Fråga Den instrålade solenergin är inte tillgänglig när den behövs - på vintern! Långtidslagringen är kanske solenergins största problem Men solen strålar lika stark mot jorden alltid. Vi skulle vilja transportera el från t.ex. Afrika till Sverige. Varför är detta svårt?

Energibehov och solenergitillgång 50% av Sveriges energibehov för uppvärmning av lokaler och varmvatten. Behovet är ojämnt fördelat över året. Energibehovet i en välisolerad villa med 4 personer. Man kan klara sig utan annan värmekälla från mitten av Mars till oktober.

Solvärme Passiv solvärme : Bynadder utformas so för att utnyttja solinstrålningen. Aktiv solvärme: Vatten eller luft värms upp i en solfångare för att utnyttjas för bostadsuppvärmning och till hushållsvarmvatten. so Stora solanläggningar

Solfångare Ta emot solinstrålningens värme och utnyttja den till uppvärmning avanläggningar. so Solfångare Obs! En solfångare är inte en solcell som omvandlar solljus till el! Svarta plåtar värms upp av solstrålningen Vattenrör ligger i kontakt med plåtearna och löper sen ner i en vattentank. En pump cirkulerarvatten. Vattnet i tanken värmes upp, vattset i slinkan kyls av. Omvandlingen av solstrålning till termisk energi.

Solfångarens energibalans

Verkningsgraden Obs! Definition : Nyttig effekt Verkningsgraden η = = Instrålad effekt mot solfångaren Pn P 1 T a T = u temperaturskillnaden mellan absorbator och omgivning. O Temperaturskillnad 60 C Verkningsgrad 40-50% so Högre än de flesta andra sätt att utnyttja primärenergi.

Fråga Verkningsgraden fungerar sämre ju varmare den är. Detta ser ut som en paradox. Ge en förklaring.

Sammanfattning Definitioner om olika typer av strålning Instrålningen som man kan fånga/använda beror på infallsvinkeln. Solens läge beror på många olika faktorer Solvärme kan användas i en s.k. solfångare för värma upp hus osv.

Miljöfysik Föreläsning 8 Solel Solcellsanläggningar Halvledare En pn-övergång I-U karakteristik för solceller

Solel Solenergi omvandlas direkt till el i en solcell. Solcellen fungerar som strömkälla. Vad är en solcell? En tung platta av dopat halvledarmaterial (t.ex. kisel) med en p-n-övergång. När den belyses kan ljusets fotoner ge energi ti elektronerna så att de kan drivas runt i en ansluten krets.

En stor solcellsanläggning på IKEA i Älmhult. Solcellsanläggningar Flera rader med monokristallina solceller på taket Tunnfilmsceller sitter på fasaden. Den maximala elektriska effekten 60 kw.

Världens största solcellsanläggningen Topaz Solar Farm 550 MW i California, 9M solpaneler Konstruktionen började 2011. Klar i nov. 2014

Solceller Tre krav för att solcellen ska fungera: (1) Cellen kan absorbera ljus för att producera ett par laddningsbärare ( + och -). (2) Olika laddningsbärare kan separeras (3) Laddningsbärare kan skickas till en krets - Maskin, glödlampa, osv Solcell + Foton

Påminnelse Elektronera ordnas i skal ( n) och subskal ( l). Man kan förstå kemi och so stabilitet av grundämnen med skal/subskal-begreppet. 2 (s) elektroner 2 (s)+ 6 (p) elektroner 2(s)+2(p)+6(p) elektroner

Bandteori och halvledare Bandkonceptet visar skillnaderna mellan ledare, isolatorer och halvledare. Bandbildning 11 T.ex. Natrium Na. 2 2 6 1 1s 2s 2p 3s - en elektron i ett ytterskal

Förena två Na-atomer Minska avståndet r mellan atomerna. Elektronerna växelverkar med varandra. Istället för 2 individuella atomer har vi ett kvantsystem. Energi Avståndet mellan atomer r.

Energibanden i ett material Betrakta 5 Na atomer som ligger i närheten av varandra. En energinivå splittras till 5 energinivåer.

Natrium 28 3 Det finns typ. 10 atomer/m i ett fast ämne. Energinivåer för varj tillstånd av en isolerad atom splittras till energiband. Banden separeras från varandra och energigap uppstår. N=antalet atomer i ett fast ämne

Elektronerna i banden Pauliprincipen: två elektroner kan inte ha samma värden på kvanttalen 2N-nivåer i de 1s, 2s-banden och 6N-nivåer i de 2 p-banden är uppfylld. 3s-nivåer i ett Na-atom är halvfylld och 3s-band har bara N innehåller elektroner. Det finns också N tomma nivåer. nivåer som

Ledare Metall: Na Det högsta bandet är inte fyllt. Elektronerna faller inte ner till bandets botten på grund av Paulis princip. Elektronerna i ledningsbandet påverkas av ett elektriskt fält. De kan röra sig fritt genom metallen. Det flyttar från en obesatt med nivå till en annan obesatt nivå (det finns många obesatta nivåer).

Isolatorer Alla tillstånden i den högsta besatta bandet är fyllt. Valens- och lednings-banden separeras med en gapenergi : Eg 5-8 ev På rumstemperatur kan elektronerna exciteras termiskt men energin är inte nog ledningsband. för att flytta till E g Elektronerna kan inte flytta till tillstånden i närheten eftersom de är besatta. so Strömmen kan inte flöda!

Halvledare Halvledare: Ge, Si Halvledare liknar isolatorer men E gap 1 ev E g Vid rumstemperatur kan några elektroner exciteras termiskt till ledandebandet. Elektronstätheten som flödar 15 3 28 3 10 m (Obs! 10 m i en meta ll). Ökande temperatur Ökande elektronerna so som flödar Ökande konduktivitet

Att dopa en halvledare Man kan öka en halvledares konduktivitet om man tillsätter material av en annat grundämn. Kiselatomer i en krystal bilder 4-bindingar. Om tillsätter en pentavalent orenhet t.ex. Sb så får man en extra elektron med en svag bindning : n-typ halvledare. Tätheten av elektroner som bär ström ökar med 10 En trivalent orenhet t.ex. B ger ett nytt hål som har en svag bindning : p-typ halvledare. Tätheten av hål so 6 som bär ström ökar med 10 6

pn-övergång En pn-övergång bildas när n-dopade och p-dopade halvledare kommer i kontakt. Övergång Inga laddningsbärare i övergångsområdet (depletion layer) Elektroner och hål rör sig över övergången. Ett E-field uppstår En energibarriär.

Ström från en solcell Elektronenergi E g Elektronerna i ledningsband och hålen i valensband åker för att ge en ström.

Vad är det som händer i en solcell? - En photon frigör en elektron Maskin, glödlampa, osv + Solcell Foton elektron + hål elektronen åker till n-typ material, hålet åker till p-typ material. ström

Bandgapet och solspektrum Energidifferensen mellan valensbandet och ledningsbandet E g = 1.1eV för kisel. För actt en foton skulle lyfta en elektron från valensbandet till ledningsbandet Den lägsta energin = E g Fotonens energi E = hf f = frekvensen, h=plancks konstant = 6.6 10 34 hc f λ = c E = λ λ = våglängden c=ljusets hastighet E = E = 1.1 g Js 19 ev =1.1 1.6 10 J 34 8 6.6 10 3 10 λ = = 1.1µ m 19 1.1 1.6 10 Infrarött ljus Vi förlorar 25% av solljusets fotoner. Förlorad!

Sammanfattning Stora solcellsanläggningar Halvledare används i solceller En foton exciterar en elektron pn-övergång för att ge en ström

Miljöfysik Föreläsning 9 I-U karakteristik för solceller Förluster En solcells verkningsgrad Hur solceller påverka miljön

En solcell fungerar som ett batteri. Dock finns det viktiga skillnader. Inre resistans Ett perkeft batteri ger alltid samma spänning. Spänning =emk = U 0 Ett riktigt batteri har en spänning som beror på strömmen p.g.a. en inre resistans, r. U = ir + ir ε ir = ir 0 Spänningen över R : U = ir = U ir 0

Spänning vs ström med ett batteri Man mäter den "nominella" spänningen när strömmen är försumbar!

Egenskaper av en solcell Intensitet U I 0 0 = Tomgångsspänning = Kortslutningsström Strömmen når ett maxvärdeför att det infallande ljuset har en viss intensitet ett begränsat antal fotoner som träffar detektorn per sekund. I U karakteristik för solcell vid olika instrålningsvärden. Strömmen beror på intensiteten.

Fyllfaktorn En ideal solcell bör ha en rektangulär karakteristik. Maximala effekten = I U 0 0 Ett mätt på solcellens kvalitet är hur väl karakteristiken fyller ut en rektangulär form. Fyllfaktorn F P = U I max 0 0

P = IU Solcellens effekt Man bör välja värden på I och U som ger den största effekten. Den optimala spänningen 0.7U 0 För att låsa spänningen vid detta värde använder man en ackumulator. Om solceller ger mer ström än vad en tillkopplad belastning kräver går överskottet till ackumulatorn. När instrålningen är svag eller belastningen är stor går ström ut från ackumulatorn.

Optimal belastningsresistans Om man har solcellen ansluten till en belastning med resistans R : U = IR Konstant belastning - rät linje R1 > R2 > R3 Solcellen tvingar I, U att följa kurvan för en given instrålning. Båda villkoren gäller samtidigt. Arbetspunkten ( I, U ) ger av skärningen. T.ex. Belastningen som är optimal vid en viss instrålning kan vara långt ifrån optimal vid en annan instrålning.

Fyllfaktorn En ideal solcell bör ha en rektangulär karakteristik. Maximala effekten = I U 0 0 Ett mätt på solcellens kvalitet är hur väl karakteristiken fyller ut en rektangulär form. F max Fyllfaktorn Ett P = bra värde F 0.8 U I 0 0

Fråga Beräkna fyllfaktorn för de två solcellerna (ovan).

Fråga Bilden visar ström-spänningkarakteristiken 2 för en solcellpanel (area = 0.36 m ). (a)hur stor effekt kan man maximal få ut vid de fyra värdena på instrålning? (b)hur stor är verkningsgraden? (c)hur stor är fyllfaktorn? (d)vid vilken spänning bör solcellen arbeta för att ge största verkningsgrad? Ström I/A

En solcells struktur

Förluster Optiska förluster Reflektion mot ovanytan Skuggning från ledningsmönstret på ovansidan so Ofullständig absorption av inkommande strålning Ofullständig utnyttjande av energin hos fotoner med hög energi. Elektriska förluster Spänningsförluster i inre resistansen Strömförluster pga rekombination av elektroner och hål so

Verkningsgraden Den teoretiskt maximala verkningsgraden 30%. Man antar : (a)ett elektron-hål-par från en foton (b)ofokuserat ljus so so Man uppnå η 10-20% för solceller so som man kan köpa. Det finns nya ideer och forskning so som innebär att η>30%.

Framtiden för solceller Solceller i denna föreläsning är tillverkade av kristallint kisel i en dyrbar och omständlig tillverkningsprocess. De är stabila och tillförtlitiga. Livstid 30 år. so so Produktioner av solceller är energikrävande men so energiåterbetalningstiden 2-3år. Ett stort problem är kostnaden. I kombinationen med tillverknings- och monteringskostnader so är solceller 3-10 gånger för dyra än andra källor.

Miljöpåverkan Solceller ge inga avfallsprodukter eller utsläpp vid använding. De opererar ljudlöst. so Grundmaterialet kisel finns i mycket stor mängd på jorden och är ofarligt. so Tillverkningen ger vissa giftiga ämnen. so Metoder och tekniker har utvecklats för att ta hand om detta. Vid skrotning kan stora delar soav en solcell återvinnas.

Världens största solcellsanläggningen Topaz Solar Farm 550 MW i California, 9M solpaneler Konstruktionen började 2011. Klar i nov. 2014

Fråga Bilden visar ström-spänningkarakteristiken 2 för en solcellpanel (area = 0.36 m ). (a)hur stor effekt kan man maximal få ut vid de fyra värdena på instrålning? (b)hur stor är verkningsgraden? (c)hur stor är fyllfaktorn? (d)vid vilken spänning bör solcellen arbeta för att ge största verkningsgrad? Ström I/A

Fråga Gör några överlagsberäkningar på areabehovet för solceller som skall täcka årliga totala energibehovet för (a) En svensk famils hushållsel (4000 kwh) (b) Sveriges totala energianvändning (600 TWh) (c) Världens total energianvänding (100000 TWh) Instrålning på kvadrat meter på markytan: Sverige (1000 kwh/år), Ekvatorn (2500 kwh/år).

Sammanfattning En solcell liknar ett batteri men det finns viktiga skillnader gällande I-U-beteende Många olika typer av förluster i en solcell Verkningsgrad ~20% men det finns nya metoder och forskning som kan höja detta värde Solceller är miljövänliga!

Miljöfysik Föreläsning 10 Vattenenergi och vindenergi Anläggningar Verkningsgrader Inverkan på miljön

Vatten-och vindenergi Vatten- och vindenergi från solenergi som absorberas av vatten och luft. Termisk utvidgning ger luftströmmar och vind. Avdunstning, kondensation och nederbörd ger vattendrag. Den kinetiska energin i luften/vatten kan överföras till rotation i en turbin som driver en elektrisk generator elenergi. Sverige : so 50% från vattenenergi, 1% från vindenergi.

Vattenenergi Den energi W som frigörs med massan m faller utför fallhöjden h : W = mgh m = ρv, ρ = täthet, V=volym. W = ρvgh Effekten Pi vattenflödet : W V P = = ρgh t t V t = vattenflödet i m s 3.

Fråga Lule älv är Sveriges största elenergiproducent. Den ger 13.6 TWh per år. 3 Vattenflodet är 475 m /s. (a) Beräkna medeleffekten under året. (b) Beräkna totala fallhöjden. 12 13.6 10 60 60 9 (a) P = = 1.55 10 W 365 24 60 60 V 3 (b) = 475m /s t V so P = ρgh = 1000.0 9.8 h 457 = 1.55 10 t 3 2 ρ = 1000 kgm, g = 9.8ms 9 1.55 10 h = = 332m 1000.0 9.8 457 9

Vattenergi För att ett vattenkraftverk ge stor effekt fordras alltså dels stort vattenflöde, dels stor fallhöjd. För att få stor fallhöjd kan man använda naturlig vattenfall. T.ex. Niagra Falls Det första vattenkraftverket (1885) Vattnet föll 26m.

Ett underjordiskt vattenkraftverk Vanligare är att man åstadkommer konstgjorda fall på, i Sverige, upp till 300 m genom att spränga ur tunnla och vertikala schack i berget. Vattnet transporteras under marken från ett vattenmagasin till ett lägre. Vattenflödet regleras med enorma konstgjorda dammar.