SMG-4450 Aurinkosähkö

Transkriptio

1 SMG-4450 Aurinkosähkö Ensimmäisen luennon aihepiirit Auringonsäteily: Auringon säteilyintensiteetin mallintaminen: mustan kappaleen säteily Sähkömagneettisen säteilyn hiukkasluonne: fotonin energia Aurinkovakio Sähkömagneettisen säteilyn spektri Maanpinnan saavuttava säteily 1 SÄHKÖMAGNEETTINEN ENERGIA Kiihtyvässä liikkeessä oleva varaus lähettää sähkömagneettista säteilyä. Täten kaikki kappaleet, joiden lämpötila poikkeaa absoluuttisesta nollapisteestä, lähettävät sähkömagneettista säteilyä, sillä aineen elektronit ovat lämpöliikkeen seurauksena jatkuvasti kiihtyvässä (ja hidastuvassa) liikkeessä. Sähkömagneettisella säteilyllä tarkoitetaan sähkömagneettista aaltoa, joka kuljettaa mukanaan sähkö- ja magneettikentän varastoimaa energiaa. 1

2 AURINGON ENERGIANTUOTANTO Auringon korkea lämpötila perustuu sen ytimessä tapahtuvaan fuusioreaktioon. Noin 600 miljoonaa tonnia vetyä fuusioituu sekunnissa noin 596 miljoonaksi tonniksi heliumia. Puuttuva massa muuttuu suhteellisuusteoriasta tutun yhtälön mukaisesti energiaksi joka sekunti, joten auringon kokonaisteho on mc P t kg s m s Fuusio ylläpitää auringon ytimen korkeaa lämpötilaa muttei vaikuta muulla tavalla auringon säteilemään energiaan. Toisin sanoen aurinko säteilee energiaa ympäristöönsä pelkästään siksi, että se on kuuma. 6 W. 3 MUSTAN KAPPALEEN SÄTEILY (1/3) Kun sähkömagneettinen säteily osuu pinnalle, osa absorboituu aineeseen ja osa heijastuu takaisin. Pinta näyttää mustalta silloin, kun se ei juurikaan heijasta säteilyä takaisin, vaan lähes kaikki säteily absorboituu kappaleeseen. Pinta näyttää valkoiselta silloin, kun lähes kaikki näkyvän valon aallonpituudet heijastuvat pinnasta takaisin. Pinta näyttää punaiselta silloin, kun se heijastaa punaista väriä vastaavan aallonpituuden ja absorboi muun osan säteilystä, jne Fysiikassa mustaksi kappaleeksi kutsutaan sellaista kappaletta, joka absorboi kaiken siihen osuvan sähkömagneettisen säteilyn. Musta kappale on ideaalinen sähkömagneettisen säteilyn vastaanottaja ja lähettäjä. Aurinkoa voidaan hyvällä tarkkuudella mallintaa mustana kappaleena. 4

3 MUSTAN KAPPALEEN SÄTEILY (/3) Joulukuussa 1900 Max Planck julkaisi mustan kappaleen säteilyteorian, johon hän ei itsekään aluksi uskonut. Jotta Planck sai mallinsa tulokset vastaamaan mittaustuloksia, säteilyn energia oli oletettava kvantittuneeksi. "An act of desperation that must be done, because a theoretical explanation had to be found at any cost, whatever the price." Kun mustan kappaleen säteilyintensiteettiä mallinnettiin klassisen fysiikan keinoin, Rayleigh ja Jeans päätyivät malliin, jonka tulosten poikkeamista mittaustuloksista luonnehdittiin termillä "ultraviolet catastrophe". Planckin mallin antamat tulokset säteilyintensiteetille g (W/m ) täsmäsivat erinomaisesti mittaustulosten kanssa. g hc e 5 hc kt 1 5 MUSTAN KAPPALEEN SÄTEILY (3/3) Einstein osoitti 1915, että Planckin oletus sähkömagneettisen säteilyn energian kvantittumisesta oli oikea. Säteilyn voidaan olettaa koostuvan fotoneiksi kutsutuista energiapaketeista. Fotoni on sähkömagneettisen säteilyn hiukkasluonnetta mallintava energiakvantti, jonka energia riippuu aallonpituudesta. Planck: mustan kappaleen lähettämän säteilyn intensiteettiä ja aallonpituusjakaumaa voidaan mallintaa kappaleen pintalämpötilan perusteella. 6 3

4 KAPPALEEN SÄTEILEMÄ ENERGIA Kappaleen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn intensiteetti ja aallonpituusjakauma riippuvat lämpötilasta. Arkipäivän esimerkkejä aiheesta: Mitä kuumempi hellan levy on, sitä voimakkaammalta sen säteilemä lämpö tuntuu. Täten säteilyn intensiteetti riippuu lämpötilasta. Kun metallia kuumennetaan, jossain vaiheessa sen pinta alkaa hehkua punaisena. Kun lämpötilaa nostetaan entisestään, hehkun väri muuttuu kellertäväksi. Täten myös säteilyn aallonpituus riippuu lämpötilasta. Lämpökamera on esimerkki sovelluksesta, joka hyödyntää pinnan lämpötilan ja pinnan lähettämän sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuden välistä riippuvuutta. 7 KVANTTIMEKANIIKAN SYNTY Vielä 1800-luvun lopussa ajateltiin, että kaikki luonnonilmiöt ovat mallinnettavissa klassisella fysiikalla (Newtonin lait ja Maxwellin yhtälöt). Ensteinin suhteellisuusteoria 1905 yleisti klassisen fysiikan sisältämään myös suuriin nopeuksiin liittyvät tilanteet luvun alkuun mennessä oli kuitenkin kertynyt kokeellista näyttöä siitä, ettei klassinen fysiikka ole riittävä kaikkien luonnonilmiöiden mallintamiseen. Kvanttimekaniikka lähti liikkeelle mustan kappaleen säteilyn mallintamisesta, sillä osoittautui, ettei mustan kappaleen säteilyä pystytä mallintamaan klassisen fysiikan keinoin. Auringon säteilemää tehoa voidaan luotettavasti mallintaa mustan kappaleen säteilyyn perustuen. Lisäksi valosähköinen ilmiö on esimerkki tilanteesta, jonka mallintamiseen tarvitaan kvanttimekaniikkaa. Molemmat ovat oleellisia asioita tämän kurssin kannalta. 8 4

5 SÄHKÖMAGNEETTISEN SÄTEILYN HIUKKASLUONNE Sähkömagneettisen säteilyn energia on kvantittunut. Säteilyn voidaan olettaa koostuvan massattomista hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi. Fotonin energia W f riippuu säteilyn taajuudesta f yhtälön W hf f mukaisesti. Koska säteilyn taajuuden, aallonpituuden ja valonnopeuden c välillä on riippuvuus c = f, fotonin energia voidaan kirjoittaa myös muodossa hc Wf. Säteilyn fotonin energia riippuu siis aallonpituudesta. Tämä on oleellinen asia aurinkokennojen toiminnan kannalta, kuten myöhemmin tullaan huomaamaan. 9 AURINGON SÄTEILYINTENSITEETTI Aurinko voidaan mallintaa mustana kappaleena, jonka pintalämpötila on noin 5800 K: Vasemmalla on säteilyintensiteetti auringon pinnalla. Oikealla on säteilyintensiteetti maan etäisyydellä auringosta. 10 5

6 AURINKOVAKIO Aurinkovakio S on auringonsäteilyn intensiteetti (W/m ) maan kiertoradalla. Mieti, miten aurinkovakio ja auringon säteilyintensiteetti maan kiertoradalla liittyvät toisiinsa. W S 1367 m 11 MAANPINNAN SAAVUTTAVA SÄTEILY (1/) Ilmakehä vaimentaa auringonsäteilyä, koska sähkömagneettinen säteily vuorovaikuttaa varausten kanssa. 1 6

7 MAANPINNAN SAAVUTTAVA SÄTEILY (/) Absorboituminen ja siroaminen ilmakehän molekyyleissä vaimentavat säteilyintensiteettiä yleensä vähintään 0%. Maanpinnalle saapuva säteily on suoraa tai sironnutta (diffuusia) säteilyä. Diffuusin säteilyn osuus riippuu ilmakehän pilvisyydestä: kirkkaana päivänä 10-0%, pilvisenä päivänä jopa 80-90%. Suoran ja diffuusin säteilyn osuudet vaikuttavat aurinkokennon toimintaan, sillä diffuusin säteilyn aallonpituusjakauma on erilainen kuin suoralla säteilyllä. 13 ILMAMASSA Ilmamassa on suure, jolla kuvataan pilvettömän ilmakehän vaikutusta auringonsäteilyn intensiteettiin. Ilmamassa AM (Air Mass) määritellään säteilyn ilmakehässä kulkeman matkan ja ilmakehän paksuuden osamääränä. Ilmamassa on tärkeä tekijä aurinkokennojen standardimittausolosuhteita määritettäessä, koska se vaikuttaa säteilyn aallonpituusjakaumaan. Kun aurinko on suoraan havaitsijan yläpuolella, ilmamassa on yksi: AM1. Ilmakehän yläreunaan tulevaa säteilyä kutsutaan AM0-säteilyksi. AM SO SO 1 ZO SO cos cos 14 7

8 ILMAMASSA TAMPEREELLA (1/) 15 ILMAMASSA TAMPEREELLA (/) 16 8

9 MAAN PINNAN SAAVUTTAVA SÄTEILY keskimääräinen vuotuinen säteilyintensiteetti (W/m ) 17 MAAN PINNAN SAAVUTTAVA SÄTEILY TAMPEREELLA 18 9

10 SÄHKÖMAGNEETTISEN SÄTEILYN SPEKTRI Mieti, millä eri tavoilla ihminen aistii sähkömagneettiset säteilyn eri aallonpituudet. W hf f c f hc Wf 19 10