Környezetfizika II 2009. Nyíregyházi Főiskola Dr. Varga Klára.

Környezetfizika II 2009. Nyíregyházi Főiskola Dr. Varga Klára

Elektromágneses sugárzások
rtg Látható tartomány Ultra ibolya Elektromos hullámok Kozmikus sugárzás Infra-vörös g 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 l [cm]

Röntgensugárzás keletkezése
Wilhelm Konrad Röntgen ( ) X-sugárzás 1895 1901-ben elsőként megkapta a fizikai Nobel díjat Lenard katódsugár csövével kísérletezve 1895-ben észrevette, hogy a csövön kívül egy másik sugárzás is megjelenik, mely azon kívül, hogy mutat hasonló tulajdonságokat is az elektronsugárral (foszforeszkálás, fotóhatás), a tárgyakon is áthatol. Röntgen a felfedezett sugárzást X-sugárnak nevezte, de ma már röntgensugárnak nevezzük.

A Röntgen-sugárzás keletkezésében két különböző fizikai folyamat játszik szerepet: 1. gyors elektronok az anyagban történő lefékeződéskor bocsátják ki: ez a fékezési sugárzás, 2. az atomok belső elektronhéjára történő elektronátmenetkor sugárzódik ki. Ez utóbbi a karakterisztikus röntgensugárzás.

Röntgencső működésének elve

Fékezési röntgensugárzás keletkezése
A röntgencsövekben az elektronágyúból jövő elektronokat nagy feszültséggel nagy sebességre gyorsítják, s ezek az elektronok egy nagy rendszámú anyagba (pl. wolfram) csapódva hirtelen lefékeződnek, és fékezési sugárzást bocsátanak ki. Egyes esetekben az anódot forgatják is, hogy az elektronok más és más helyen érjék. Ezáltal a becsapódáskor keletkező hő nagyobb felületen oszlik el, és az anód anyaga nem hevül fel annyira.

Energetikailag: Elektronon végzett munka kinetikus energia majd a fékezés során fékezési sugárzás Ha az e- teljes energiáját sugárzás formájában veszti el, akkor keletkezik a legnagyobb energiájú foton, azaz a rövidhullámú határ, ami feszültségfüggő:

Nagyobb feszültséghez rövidebb hullámhosszú alsó határ tartozik:

Karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése
A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése hasonlít az atomok, molekulák fénykibocsátásához. Itt is az atomok elektronhéjainak átrendeződése következik be: egy magasabb energiájú elektron egy alacsonyabb energiájú, üresen álló állapotba ugrik, miközben a két állapot közötti energiakülönbséget elektromágneses sugárzás (foton) formájában kisugározza. Az alacsonyabb energiájú állapotból az eredetileg ott lévő elektront a katódsugárzás nagyenergiájú elektronjai ütik ki, s így ott egy betöltetlen "lyuk" keletkezik.

Elektromágneses sugárzás kibocsátása az atomban

A felgyorsított e- valamely belső héjról üt ki egy e- -t, majd ennek helye betöltődik egy magasabb energiájú héjról. A magasabb energia röntgen foton formájában sugárzódik ki. Kiütött e- K héjról származik K - sorozat Kα vonal a megürült héj az L – héjról töltődik be

Karakterisztikus röntgensugárzás alkalmazása
Mivel az egyes atomi állapotok energiája jól meghatározott és az illető atomra jellemző, a karakterisztikus röntgensugárzás is csak jól meghatározott hullámhosszúságú összetevőket tartalmaz: a spektruma vonalas. Ezek a hullámhosszak jellemzőek a sugárzást kibocsátó anyagra. Ezt a tulajdonságot használja ki a Röntgen-fluoreszcencia-analízis, amely egy fontos roncsolásmentes anyagvizsgálati módszer.

Moseley egyenes

Kα sugárzás elemazonosítás: az azonosítandó anyagot vagy szétszedhető rtg. cső anódjára viszik fel, és elektronokkal bombázzák, vagy valami más módon gerjesztik. Pl. protonokkal (PIXE), rtg., vagy gammasugarakkal (röntgen-fluoreszcencia),stb. A keletkezett karakterisztikus vonalakból az alkotó elemek (az előbbi ábra alapján) meghatározhatók, sőt a mennyiségük is.

Röntgensugarak abszorpciója
A sugárzás útjába tett közeg vastagságával nő az elnyelődés, exponenciálisan: I jelenti az átengedett sugárzás intenzitását, I0 a beérkező sugárzás intenzitását, μ’ az abszorbens anyagra jellemző állandót (neve: lineáris abszorpciós tényező), x az anyag vastagságát.

A fenti egyenletnél gyakrabban használt a következő összefüggés: itt μ neve tömegabszorpciós tényező, a d felületi rétegsűrűség, mértékegysége kg/m2. Ez jobban kifejezi, hogy az abszorpció inkább a sugárzás útjába helyezett tömeg mennyiségétől függ, nem a vastagságtól! Egy vékony ólomlemez sokkal jobban elnyeli a röntgensugárzást mint egy közepesen vastag alumínium lemez.

A különböző elemek sugárzás elnyelő képessége (atomi abszorpció) igen különböző, ennek speciális esetekben különös jelentősége van, most csak egy általánosan használható közelítő formulát írunk fel: A képletből látszik, hogy az abszorpció erőteljesen (harmadik hatvány szerint) függ a hullámhossztól!

Lágy röntgensugárzás: nagy hullámhosszúságú, azaz kis energiájú röntgensugarak, melyek jobban elnyelődnek, orvosi alkalmazásuk gyakoribb. Kemény röntgensugárzás: rövidebb hullámhosszú, nagy áthatoló képességű ezért elsősorban az ipar használja pl. hegesztési varratok vizsgálatára.

Orvosi alkalmazások Tüdőröntgen: az emberi szervezet nagy százaléka víz, amin a röntgensugarak könnyen áthatolnak, árnyékot nem adnak. Csontok röntgenezése: a kalcium nagyobb rendszáma miatt jól elnyeli a sugárzást és éles árnyékot ad az ernyőn. Ezért jól látszanak a csontok, foggyökér, stb., vagy a tüdőbe betokozott baktériumok, melyeket a szervezet védekezésképpen kalciummal vesz körül („meszesedés”).

Orvosi alkalmazások Kontrasztanyag használata: Ha lágy részt pl nyelőcsövet, gyomrot vizsgálnak, akkor előbb nagy elnyelő képességű kontraszt-anyagot, pl. báriumszulfátot itatnak a beteggel (népiesen: „gipszkását”). Ilyen módon követhető a katéteres mintavétel, vagy vizsgálat útján a vese- vagy a szívkatéter útja is. A szív vagy agy vizsgálata csak úgy lehetséges, ha az erekbe igen nagy elnyelő képességű kontrasztanyagot juttatnak un. „érfestést” alkalmaznak.

Orvosi alkalmazások A röntgensugárzás káros a szervezetre, ezért a vizsgálat idejét a lehető legrövidebbre választják, pl. fényképfelvételt készítenek és azután értékelik ki. A modern vizsgáló készülékek sugárterhelése kicsi, ezt azáltal érik el, hogy kis intenzitású sugárzást használnak, és a képet elektronikus képerősítővel teszik láthatóvá.

Orvosi alkalmazások Modernebb eszközökben film helyett félvezető detektorok észlelik a sugárzást, aminek következtében a sugárterhelés jelentősen csökken. Ilyen vizsgálati eszköz a Computer Tomográfia, azaz a CT.

Részecske sugárzások, radioaktivitás
Az atomok magjai protonokból, neutronokból állnak. A protonok száma határozza meg az atom milyenségét, helyét a periódusos rendszerben, megadja az atom rendszámát. Ennyi elektron veszi körül a magot.

Izotópok: A protonok mellett a neutronok különböző számban fordulhatnak elő, a kémiai tulajdonságot ez nem befolyásolja, ezért a periódusos rendszerben ugyanazon a helyen (izo= azonos, tóp=hely) szerepelnek. A protonok és a neutronok együttes számát –nukleonszám- vagy –atomszám- az elem vegyjele mellett bal felső indexként jelöljük. Ez az izotópok azonosítása miatt nem maradhat el! Pl.: vagy egyszerűen 12C

Az atommagok stabilitása szempontjából nagyon fontos a neutronok száma. A periódusos rendszer kisebb rendszámainál a neutronok száma alig több mint a protonoké, később ez rohamosan nő, az utolsó - még nem mesterségesen előállított elemnél-, az uránnál már 92 proton mellett 146 neutron található: . Ha valamely izotóp a stabil izotópokhoz képest jóval több, - vagy kevesebb- neutront tartalmaz, akkor az elem magától bomlik, azaz radioaktív.

A bennünket körülvevő sugárzások egy része nem elektromágneses hullámok –fotonok-, hanem részecskék, melyek atommagok bomlásából származnak és a környezetünkből, vagy a kozmoszból származnak.

Mesterséges sugárterhelésünk

Természetes sugárterhelésünk

Természetes sugárterhelésünk
Állandó „sugárözönben” élünk, csak nem vesszük észre észlelő eszköz híján. Ezt a sugárzást mint „háttérsugárzást” a méréseink során mindig korrekcióba kell venni. A háttérsugárzás oka többféle: a talajban, a falakban mindig található urán, rádium, thórium nyomokban, ezek sugárforrások. A talajból radon (radioaktív nemesgáz) áramlik fel, és a kozmikus térből is állandóan érkeznek részecskék. Sőt saját szervezetünk is tartalmaz radioaktív elemeket, ezek nagy része a szervezet kálium tartalmával kapcsolatos.

Radioaktivitás A radioaktivitást Becquerel fedezte fel 1896 – ban.
Alfa-, béta-, gamma sugárzás létezik.

Radioaktivitás Alfa sugárzás mechanizmusa:
Az alfa-sugárzás igen rövid hatótávolságú, akár egy vékony papírlap, vagy az emberi bőr is könnyen elnyeli. Levegőben a hatótávolsága 2 – 10 cm. Bomlás során a rendszám kettővel, a tömegszám néggyel csökken. Példa: általános képlet:

Radioaktivitás Nagy az ionizáló képességük
részecskénként kb ion-párt keltenek teljes lefékeződésükig. Energiájuk néhány megaelektronvolt E=1-4 MeV Anyagban hamar elnyelődnek, vékony papírlap már elnyeli, a szervezetünket akár a bőr felső szaruhártyája is képes megvédeni, ha csak nem lélegezzük be, vagy esszük meg a táplálékkal. Nagy ionizáló képessége miatt igen veszélyes, de csak akkor, ha a szervezetbe bekerül.

Radioaktivitás Béta sugárzás
Nagy sebességű - majdnem fénysebességű- elektronok. Hatótávolságuk levegőben néhány deciméter, de nem rendelkeznek olyan éles hatótávolsággal mint az alfa sugarak.

Radioaktivitás Példa: általános képlet:
a bomlás során még egy töltés és nyugalmi tömeg nélküli részecske, a neutrínó (jelen esetben anti neutrínó) is keletkezik.

Radioaktivitás Pályájuk végén - amikor már sebességük kicsi - a levegőben ide-oda lökődnek. Ionizáló képességük egy nagyságrenddel kisebb mint az α sugaraké, ion-párt keltenek teljes lefékeződésükig és befogódásukig. A bomlás során egy neutron protonná alakul át, így a rendszám eggyel nő, a tömegszám viszont változatlan marad.

Radioaktivitás Papírban, alumíniumban fokozatosan nyelődnek el, elnyelődésüket exponenciális görbe írja le, hasonlóan a rtg. sugarakhoz. Fontos mennyiség a „felezési rétegvastagság” az a felületi sűrűség, ami a beérkező sugárzás intenzitását felére csökkenti. Ez a d1/2 alkalmas a μ tömegabszorpció tényező meghatározására: μ=ln2/ d1/2 , ami gyors béta-energia meghatározást tesz lehetővé.

Radioaktivitás Gamma sugárzás
Elektromágneses hullámok, melyek a gerjesztett magok alacsonyabb energiájú átmenete során keletkeznek..

Radioaktivitás Áthatoló képessége igen nagy, néhány cm-es vastagságú ólomlemez is csak alig csökkenti a sugárzás intenzitását. A gamma sugarak abszorpciója a rtg. sugarakéhoz hasonlóan írható le, itt is nagy jelentősége van a mérés során az un. felezési rétegvastagságnak és a tömegabszorpciós tényezőnek. A gamma sugárzás általában „kísérő” sugárzás, az alfa- vagy a béta-sugárzás után lép fel, ha a mag még gerjesztett állapotban maradt.

Radioaktivitás Példa: általában:

A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei
A radioaktív anyagok atomjai gyakorlatilag mindentől függetlenül teljesen véletlenszerűen bomlanak. Az elbomló atomok száma csak a meglévő atomok számától függ (több atomból több bomlás várható), az időtartamtól (több idő alatt több atom bomlik), valamint az atom fajtájától (van atom, amely könnyen bomlik, mások igen lassan). Képletben: ΔN = - λ N Δt

N a bomlatlan atomok száma, ΔN a Δt idő alatt elbomló atomok száma, λ az atomfajtára jellemző állandó, neve: bomlási állandó. A negatív előjel azt fejezi ki, hogy az idő múlásával az atomok N száma csökken. Aktivitás: ΔN / Δt hányados, az időegység alatt elbomló atomok száma. Mértékegysége: 1bomlás/sec = 1 Bq

A fenti (differenciál-egyenletet) megoldva: Ahol N a bomlatlan atomok száma, N0 a megfigyelés kezdetén lévő atomok száma, t pedig a megfigyelés kezdete óta eltelt idő. Ha mindkét oldalt λ-val szorozzuk, akkor:

Grafikonon ábrázolva és bejelölve a felezési időket, látszik, hogy mindig ugyanannyi idő alatt feleződik meg az atomok száma. Ennek az időnek a neve: felezési idő, jele: T1/2

τ1/2 N0/4 N0/2 A bomlási állandó és a felezési idő közötti összefüggés:

A felezési idők igen nagy intervallumban szórnak, az U felezési ideje pl 4.5 milliárd év, a polóniumé 130 nap, stb. Gyakorlati szempontból nagyon fontos a 14 C izotópja, mely radioaktív, felezési ideje T1/2 = 5730 év, ami kiválóan alkalmas szerves anyagok segítségével történelmi kormeghatározásra.

Dozimetriai alapfogalmak
Elnyelt dózis D: a besugárzott energiának és az őt elnyelő anyag tömegének hányadosa. Mértékegysége: 1J/kg = 1 Gy Biológiai dózisegyenérték B: B= a.D a = minőségi tényező , (mértékegysége 1 Sv = joule/kg ennek is, hiszen az a dimenzió nélküli szorzószám).

Dozimetriai alapfogalmak
Dózisteljesítmény H: Mértékegysége: 1 Sv/sec Egy átlagos európai embert ért dózisteljesítmény 2.4 mSv/év, azaz egy év alatt 2.4 milliSievert biológiai dózisegyenértéknek van kitéve.

Sugárzások hatása az élő szervezetre
A sokféle sugárzás már az egyszerű atomokban is sokféle hatást válthat ki, még bonyolultabb az élőszervezetre gyakorolt hatás. Az élő sejtek atomjaira gyakorolt hatás ugyanaz mint más atomok esetében: gerjesztés, ionizálás, másodlagos sugárzás, radioaktivitás előidézése, stb.. A sejtek kromoszómáiban a DNS molekulák, a nukleinsavak, a különböző fermentumok, hormonok, immunanyagok alkotó részei súlyosan sérülnek, működésképtelenek lesznek, vagy hibás működést váltanak ki, máskor a molekulák széttöredezésével a sejtek működésére káros, pl. oxidáló hatású vegyületek (sejtmérgek) képződnek.

Ezek az elsődleges ún. fizikai vagy fizikai-kémiai hatások nem észlelhetők azonnal, a károsodás mértékétől függően azonban rövidebb-hosszabb idő után megjelennek a biológiai tünetek is –néha csak évek múltán-. Legérzékenyebbek a növekedésben lévő szervek, az osztódásban lévő sejtek, így pl. a gonádok, vérképző szervek, stb. Ez az alapja a sugárterápiának is, hiszen a kórosan osztódó ráksejtek is igen érzékenyek a sugárzásra, s megfelelően választott dózis mellett ezek elpusztulnak, a többi sejt pedig nem, vagy csak alig károsodik. Minél magasabb rendű az élőlény, annál inkább érzékeny a sugárzások károsító hatására.

Küszöb alatti dózis: kis sugáradag nem okoz látható elváltozást, a sérült sejtek idővel regenerálódnak vagy kicserélődnek, nem marad vissza károsodás. Küszöb feletti dózis: átmeneti rosszullétet, hányingert, szédülést okozhat. Nagyobb sugáradag elsősorban a vérképző szervek károsodását okozza, növekszik a limfociták száma, de egyéb visszafordíthatatlan károsodás is előfordulhat, - ekkor súlyos sugárkárosodásról beszélünk- .

Még nagyobb sugáradag a bőrön égési sérüléseket is okoz, a nyálkahártyán, belső szervekben, bélbolyhokban hajszáleres vérzéseket, belső vérzést, hasmenést, hányást vált ki. Az ennél is nagyobb sugáradag már sokak számára elviselhetetlen, néhány napon-héten belül a sugárkárosodottak fele meghal, mások túlélik, - ez a félhalálos dózis -. Az ennél nagyobb sugáradagokat pedig, amit az emberek már nem viselnek el, halálos dózisnak nevezzük.

Szerv-specifikus hatás: milyen szerveken mi a legjellemzőbb sugárkárosodás. A bőrön általában bőrpírt, nagyobb adagban égési sérülést vált ki a sugárzás, esetleg nehezen gyógyuló fekélyt. Az emberi szem szaruhártyája, ami már igen kis sugárzás hatására is károsodhat. A szemlencsében meszesedést, „szürke hályogot” vált ki.

A csontok felszínén kinövések, csontdaganatok a jellemzőek. A hosszú csöves csontokban található vörös csontvelő a vérképzésért felelős, ezek károsodása általában fehérvérűséget, leukémiát okoz. A tüdőbe bejutó –általában α sugárzó radon termékek- tüdődaganatot, tüdőrákot okoznak. A nemi szerveket ért sugárzás általában genetikai károsodást vált ki, az X és Y kromoszómák genetikai kódja megváltozik, és gyakran súlyosan károsodott torzszülött csecsemő jön világra. A mellet ért sugárzás daganatot, mellrákot okozhat.

Az idegrendszer stabil idegsejtjei mivel nem osztódnak, a legellenállóbbak a sugárzásokkal szemben, de a nagyobb sugáradag ezeket is pusztítja. A pajzsmirigyet és a nyirokcsomókat ért sugárzás általában ezek rákos elburjánzását okozza. A nagyobb izomkötegek - kar, comb- szintén kevésbé sugár érzékenyek, de daganat ezekben is keletkezhet.

Terápia - gammakés

Terápia - gammakés A sugárzó egység tartalmazza az öntöttvas félgömbben elhelyezett 201 db kobalt-60 izotóp forrást, melynek gamma-sugárnyalábjait wolframból készült elsődleges és másodlagos árnyékoló csatornákon keresztül az egység centrumába fokuszáltak.

Terápia - gammakés A radioaktiv Co-60 izotóp lebomlása során egy elektront, és egy 1,17 MeV, valamint egy 1,33 MeV energiájú γ-fotont emittál. Az elektront a berendezés elnyeli mielőtt elérné a beteget. A γ-fotonok azonban elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy a koponyán keresztül az agyszövetbe hatoljanak, és indirekt ionizáció útján kifejtsék biológiai hatásukat a DNS molekula károsítása révén.

Terápia - gammakés A sugárnyalábok egyenként különböző helyeken lépnek be a koponyába. Ezáltal a normális agyszövetre ártalmatlan mennyiségű energiát képviselnek, a centrumban elhelyezett kóros target-re azonban pusztító hatásúvá összegződnek.

Terápia - kobaltágyú

Terápia – lineáris gyorsító

Terápia Abban az esetben, amikor a sugárkezelések alatti azonos testhelyzet biztosítása különösen fontos, egy hőre lágyuló, szobahőmérsékleten keményedő műanyaghálóból a testkontúrt felvevő fej- vagy teströgzítőt készítenek, és ezt alkalmazzák a tervezéshez szükséges CT vizsgálatnál, a beállításnál és a sugárkezelések alatt egyaránt.

Terápia A sugárkezelésnél alkalmazott
– mérnökök által kiszámított – sugárirányokat, sugármezőket még az első kezelés előtt egy szimulátorban ellenőrzik. A sugárkezelés rendszerint egy elkülönített, kellemes hőmérsékletű szobában történik, gyakran halk zene szól. Az első pillantásra félelmetes nagyságúnak tűnő sugárterápiás készüléket egy mellette lévő szobából vezénylik, monitoron folyamatosan figyelik a helyiséget és mikrofonon keresztül értekeznek a kezelés alatt a beteggel.

BRACHYTERÁPIA Közelbesugárzás kezelés, GAMMAMED 12i típusú HDR afterloading készülékkel. Üregi (intracavitalis) és tűzdeléses (intersticialis) kezelésekre alkalmas, speciális applikátorok, tűk alkalmazásával. 192Ir izotópot alkalmaz, melynek felezési ideje 74 nap. A sugárzás energiája 1,3 MeV.

Terápia – tűzdelés zárt sugárforrással

BRACHYTERÁPIA Az izotóp töltetet külső vezérléssel juttatják a betegbe helyezett applikátorokba a sugárterápiás tervező program szerint kiszámított néhány perces időtartamra.

Az alternatív energiaforrások perspektívái
A napenergia és felhasználási módszerei: A napenergia árama földi folyamatokban: (TW) (EJ/év) Földre érő napsugárzás · ·106 Földről visszavert naps · ·106 Naps. közvetlen melegítésben · ·106 Naps. párologtatásban · ·106 Napsugárzás fotoszintézisben · ·103 Az emberiség teljesítményfelhaszn. 1.2 · ·102

A napenergia és felhasználási módszerei
1 TW = terawatt = 1012 Watt 1EJ = exajoule = 1018 J 1 TW = 31.5 EJ/év 1 TW = 31.5 ·1018 J/év

Lakások fűtése, hűtése napenergiával: - megfelelő tájolás (ablak északon, délen), - üvegházszerű hatás elérése belső terek kialakításával, - belső légáramlás optimális tervezése, - gondos hőszigetelés, - a légkondicionálás energiaigényének csökkentése

A napenergia és felhasználási módszerei:
Napenergia átalakítása elektromos árammá- ennek alkalmazása: - naperőművek: zavartalan, direkt napsütés hosszú időszakokban, - A napenergia által megtermelt hő hőcserélőkön keresztül szárazgőzt termel, ami a turbinát meghajtja. A turbina által megforgatott és a hálózatra szinkronizált generátor termeli az áramot. A turbináról a gőz a kondenzátorba kerül, ahol a hűtővíz egy hőcserélőn keresztül lehűti. A hűtővíz a hűtőtoronyban leadja a felvett hőt, a kondenzvíz pedig ismét a hőcserélőhöz kerül, ahol a napenergia hőjét veszi fel. A teknő alakú tükrök fókuszpontjában egy cső található, ami a visszavert napsugarakat elnyeli, és a keletkezett hőt a benne áramló hőátadó folyadéknak továbbítja. A "teknők" napkövető mechanizmussal mindig a Nap irányába fordulnak, így ha süt a Nap, az erőmű is működik. A hőátadás két lépcsőben történik. A már részben lehűlt hőátadó folyadék a gőzgenerátorban elgőzölögteti a kondenzvizet, majd az így keletkező gőz hőmérsékletét emeli tovább a hőcserélőben a magas hőfokú folyadék, és ezáltal szárazgőzt állít elő.

Naperőművek működése:

Koncentrikus körökbe telepített nagy felületű és napkövető síklap tükrök irányítják a visszavert fényt a középpontban álló torony tetejére. Itt egy tartályban található a hőátadó folyadék, ami felveszi a hőt.

Nagy földterületet borítanak kör alakú üveg vagy műanyagszerkezettel, ami a kör közepe irányába magasodik. Középen egy magas torony található, itt található vagy találhatók a szélturbinák. A kör és a földfelszín között a levegő képes cirkulálni. Napsütés hatására az üveg (vagy műanyag) alatt található levegő felmelegszik, és mert a meleg levegő könnyebb, mint a hideg, a torony irányába kezd áramlani, helyét átadva a perem felől érkező hideg levegőnek. A toronyban a meleg levegő felszáll, mozgásával a turbina lapátjait megforgatja. A turbinához generátor csatlakozik, mely a mozgási energiát villamos energiává alakítja.

A napenergia és felhasználási módszerei: napkollektor

A napkollektor nem más, mint a Nap fényenergiáját hőenergiává átalakító berendezés, amit legtöbbször víz melegítésére használnak, de előfordul hőcserélő közegként légnemű anyag is. Ezt a felmelegített anyagot használják fűtésre, felhasználási területei között megtalálható még például a fűtésen kívül a melegvíz szolgáltatás mosogatáshoz, fürdéshez és akár medencék vízutánpótlásához, de olyan megoldással is találkozhatunk, ahol a fényt összegyűjtve üvegszálakon, vagy tükrös csöveken keresztül vezetik el épületek világításához.

A levegős napkollektorok A levegős napkollektor működési elve nagyon egyszerű, a napkollektoron levegőt fújunk át, ami a napenergia hatására megmelegszik, ezt a meleg levegőt pedig már fel lehet használni különféle célokra, például fűtésre, villamos energia generálására, stb. Előnyei között talán a legfontosabb, hogy nem fagyásveszélyes, mert a hőcserélő közeg levegő, nem pedig folyadék, még a keményebb téli hónapokban sem fordulhat elő, hogy befagy a rendszer. Azonnal felhasználjuk a napenergiát, tehát nincs szükség hőtárolásra, valamint az egyik leggazdaságosabb rendszer, a levegős napkollektorok akár házilag is könnyen megépíthetőek, ez is növeli gazdaságosságukat

A vákuumcsöves napkollektor Az ikerüveges változat alapötlete a termoszüvegektől ered. A dupla üvegfal belső felére gőzöléses eljárással hordják fel az abszorberréteget. A külső üvegcső teljesen átlátszó. A beeső fény a belső üveg felületén hővé alakul, melyet az üvegcső belsejében elhelyezett fűtőcső továbbít a gyűjtőegységbe. Innen a rendszerben keringtetett folyadék a víztartályba szállítja az átvett hőt. A két üvegcső közötti teret vákuum tölti ki, amely a hőszigetelést biztosítja. Magyarországon az utóbbi években kedvező áruk miatt nagyon elterjedtek ezek a típusok, ám itt rögtön meg kell jegyezni, hogy a külsőre azonosnak tűnő gyártmányok között igen nagy különbség lehet a teljesítmény tekintetében.

Egy 5 MW teljesítményű erőműhöz 1100 m átmérőjű kollektor szükséges, a kémény magasságának el kell érni a 445 métert, átmérőjének a 27 métert. Egy 200 MW-os erőműhöz ugyanezek a paraméterek: 5000 m átmérőjű kollektor, 1000 méter magas, és 150 méter átmérőjű kémény. A kéményben a légáram sebessége 8 m/s, ha a turbina és a generátor üzemben van, e nélkül 15 m/s.

Egy olyan termikerőmű, melynek a kollektorának az átmérője 7000 m, egy olyan területen, ahol a napsugárzás értéke eléri a 2.3 MWh/m2, egy év alatt körülbelül GWh energiát termelhet. Ezzel az energiamennyiséggel egy nukleális erőművet képes kiváltani.

Tapasztalatok szerint a naptóval 1.3 kWh elektromos és 48.5 kWh fűtési energia állítható elő átlagosan köbméterenként.

A naptóban három vízréteg található. A felső réteg a felületi zóna. Ennek a hőmérséklete megegyezik a levegő hőmérsékletével és csak enyhén sós. Az alsó réteg nagyon meleg, 70°- 85°C-os, és nagyon sós. Ez a réteg gyűjti be és tárolja a hőt. E között a két réteg között található az elválasztó zóna. Ebben a zónában a só koncentrációja a mélység arányában csökken. Ebben a zónában a víz nem áramlik, és a só koncentrációja alacsony, ezáltal a réteg világos. Az alsó réteg só koncentrációja magas, és a középső réteg által áteresztett fényt elnyeli, hővé alakítja. Gyakorlatilag egy fénycsapdaként működik ez a réteg, és mivel a só miatt nem tud feláramolni, a hőt eltárolja.

Napelemek: egy félvezető rendszer, amelyben fényelnyelés hatására elektronok lépnek ki az atomok közötti kötésből. A napelemek a nap elektromágneses sugárzásának felhasználásával, kémiai folyamat révén egyenáramot termelnek. Ezt az egyenáramot egy ún. inverter alakítja át 230V-os szinuszos váltakozófeszültséggé, a normál háztartási fogyasztók ellátására. Amikor a napelem modulok termelnek, ellátják a fogyasztót árammal, amikor nem, a szükséges energiát a normál hálózatról lehet felvenni. Amikor több energia termelődik, mint amennyit felhasználunk, a maradék energiát akkumulátor segítségével tárolhatjuk, vagy a megfelelő csatlakozás kiépítése után a normál hálózatra táplálhatjuk vissza.

A korszerű napelem modulok energiaátalakítási hatásfoka 15%, élettartamuk legalább 30 év.

A napelem vagy fotovillamos elem a nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja villamos energiává. Az energiaátalakítást a félvezető alapanyag végzi, mégpedig oly módon, hogy az elnyelt sugárzás közvetlenül villamos töltéseket hoz létre az anyagban, melyet a kialakított villamos tér szétválaszt, és a villamos áram a külső áramelvezető kontaktusokon keresztül elvezethető. A ma gyártott és a napelemes áramforrásokban tömegesen alkalmazott napelemek szinte kizárólag szilícium alapanyagból készülnek. A szilícium földünkön a második leggyakrabban előforduló elem. Közismert előfordulási formája a homok, a szilícium-dioxid, melyet termikus-kémiai reakcióval redukálnak, majd tisztítanak. A jelenleg alkalmazott és a közeljövőben alkalmazásra kerülő, hosszú élettartamú, nagy hatásfokú napelemek egykristályos, illetőleg polikristályos szilícium felhasználásával készülnek.

A napenergia és felhasználási módszerei: napelem

Napelem A napelemek fajtái:
Egykristályos szilícium (Si) napelemek: drágák, de hatékonyak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25%, az elméleti határ 31%. Polikristályos Si napelemek Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak Fém – félvezető – fémszerkezetek: festékanyagokkal érzékenyített félvezető-oxidok. A hatásfokuk kevesebb, mint 10%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid napelemek Adalékolt amorf félvezető napelemek Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%. A napsugárzás koncentrálásával (többfotonos technológia; vagyis apró lencsék alkalmazása) a hatásfok 66%-ra növelhető. A legkorszerűbb gáztüzelésű erőművek hatásfoka közel 60%.

Napelem Kinyerhető teljesítmény: függ a fény beesési szögétől, a megvilágítás intenzitásától, és a napelemre csatolt terheléstől. A fény intenzitását kevéssé tudjuk befolyásolni (nem takarjuk el a napelemet szándékosan), míg a másik két paraméter elméletileg kézben tartható. A napelem beépítése szerint lehet fix vagy napkövető jellegű. A fixen beépített napelem maximum 6 órán keresztül képes napfényt elnyelni. Ahhoz, hogy egész nap az időjárás által megengedett maximális teljesítménnyel tudjuk gyűjteni a napenergiát, a nappal folyamán vízszintesen forgatnunk, függőlegesen bólintanunk kell a napelemet, úgy, hogy a napsugár beesési szöge a lehető legkisebb mértékben térjen el a merőlegestől. Ehhez plusz elektronikát és mechanikus elemeket kellene felhasználnunk, és a telepítési hely megválasztására is nagyobb gondot kell fordítani. Ellenben a fix beépítésnél elegendő a (tervezéskor már jól betájolt) ház tetőszerkezetét felhasználnunk a napelemek tartójának.

Napelem Az optimális besugárzásra beforgatott napelem-modul sem fog mindig teljesítményt szolgáltatni, mivel a besugárzás mértéke több okból is változhat, lecsökkenhet (például lemegy a Nap vagy eltakarják a felhők stb.). Mivel a fogyasztóinkat folyamatosan szeretnénk üzemeltetni, viszont a napelem nem tud folyamatosan energiát biztosítani, valamilyen energiatároló puffert kell alkalmaznunk a rendszerben, amivel áthidalhatjuk az alacsonyabb napfény-intenzitású időszakokat. (puffer=átmeneti energiatároló). Az energia hasznosításának másik útja, amikor invertert alkalmazunk. Az inverter a napelem egyenáramát váltakozó árammá alakítja át, és visszatáplálja a hálózatba. A visszatáplálás természetesen a hálózat periódusával szinkronizálva lehetséges.

Napelem A teljesítmény növelésének egyik módja sok apró lencse alkalmazása, amelyek a napfényt, a beesési szögtöl függetlenül, a napelemekre koncentrálják. Hatásfok: ahol: Pm a fényelem által leadott maximális teljesítmény, E a napsugárzás energiája (W/m2), Ac a napelem felülete (m2)

Szélenergia A szél vonzó energiaforrás a "vidék", így különösen a mezőgazdasági körzetek, gazdálkodók számára. Nagy előnye, hogy nem környezetszennyező és alkalmas hálózatba integrálható elektromos áram termelésére. A szélenergia befogása ún. szélturbinákkal (szélmotorokkal) történik.

Szélturbina és működése
Fő részeik az állvány, a generátor, a sebességváltó rendszer, a vezérlőegység és esetleg a fék. Teljesítményük változó lehet: általában kW között van, de nagyobb leadott teljesítményre képes szélturbinák is léteznek. Előzetes mérések után természetesen csak szélfúvásos területre érdemes telepíteni őket, de mivel a szél nem folyamatosan fúj és erőssége is változó, a szélturbinák nem szolgáltatnak egyenletesen áramot. Ezen ugyan lehet segíteni akkumulátorokkal, de sokkal jobb megoldás a szélturbinák elektromos hálózathoz csatlakoztatása.

Az aszinkron generátoros motorok a hálózattal párhuzamosan és frekvenciában ill. feszültségben attól szabályozva mûködnek. Így a generátor és a hálózat is védve van az esetleges hibák által okozott károsodástól. Az aszinkron generátorok ezenkívül egyszerű szerkezetűek, tartósak, kevés karbantartást igényelnek és kedvező a teljesítmény/ár viszonyuk is.

A korszerű szélturbinák rotorjai az emelés elvén működnek: a szél a lapát mentén emelerőt hoz létre és forgás közben további felhajtóerőt biztosít. A lapátok a végük felé elvékonyodnak és meg is csavarodnak, így felületük mentén kicsi az ellenáram képződés. A vezérlőegység érzékelői több lényeges paramétert (feszültség, túláram, terhelés, vibráció, túlsebesség, csapágy- és kenőanyag hőmérséklet) mérnek.

Amikor a szél sebessége eléri az indításhoz szükséges értéket, kiengedik a féket, túlsebességnél működésbe hozzák azt. A szélturbina 3 fázisú váltóáramot termel, ez lehetővé teszi nagyobb távolságokban a villamos energia csekély veszteséggel járó átvitelét. Ez biztosítja azt az előnyt, hogy a szélturbina telepítési helye és az energia felhasználási helye között nagyobb távolság létesíthető. A szélturbina egyik optimális alkalmazási területe a melegvíz előállítása és a fűtésrásegítés. .

A rendszerben elmarad a töltésszabályzó egység alkalmazása, a szélturbina egy csatolóegységen keresztül egy fűtőpatront lát el villamos energiával. A szabványos kialakítású fűtőpatron melegvíztárolóba, fűtési puffertartályba csavarozható.

Akkumulátor töltése esetén a megtermelt 3 fázisú váltóáramot egy töltésszabályzó egység konvertálja át 12/24/48 Voltos akkumulátorok töltésére alkalmas egyenárammá és egyben szabályozza az akkumulátor töltési folyamatát, valamint megakadályozza az akkumulátor élettartamát károsan befolyásoló túltöltést, túlzott kimerítést. Valamennyi járatos akkumulátortípus töltésére alkalmazható a töltési folyamat paramétereinek beállításával.

Szélturbinák Úszó szélturbina

Környezetfizika II 2009. Nyíregyházi Főiskola Dr. Varga Klára.

Hasonló előadás

Az előadások a következő témára: "Környezetfizika II 2009. Nyíregyházi Főiskola Dr. Varga Klára."— Előadás másolata:

Hasonló előadás

Projectumról

Visszajelzés

Bejelentkezés

A társadalmi hálózaton keresztül belépni:

Környezetfizika II 2009. Nyíregyházi Főiskola Dr. Varga Klára.

Hasonló előadás

Az előadások a következő témára: "Környezetfizika II 2009. Nyíregyházi Főiskola Dr. Varga Klára."— Előadás másolata:

Hasonló előadás

Projectumról

Visszajelzés