Истражују: Теодора Николић, Стефан Рајковић
Фотоелектрични ефекат
Фотоелектрични ефекат представља појаву да неки метали, под утицајем светлости, емитују електроне са своје површине. Електрицитет који настаје приликом ове појаве назива се фотоелектрицитет.
1887. године научник Херц ће први запазити ову појаву и то између две електроде од цинка, које су биле повезане Румкорфовим индуктором. Наиме, запазиће прескакање електричне варнице међу електродама при знатно нижем напону, уз то да се негативно наелектрисана електрода означи ултраљубичастим зрацима.Да би електрон напустио метал, он мора примити енергију, како би био у могућности да изврши рад против електричне силе којом га привлаче позитивни јони из кристалне решетке. Минимална енергија коју електрон треба да прими да би могао да напусти површину метала заправо представља излазни рад. Он зависи од хемијског састава метала и чистоће његове површине (за већину метала излазни рад износи неколико електронволти, не више од 10 eV).
Галванометар (G) – мери јачину електричне струје; Волтметар (V) – мери потенцијалну разлику (напон) између аноде и катоде;
Потенциометар – користи се за промену напона између аноде и катоде.
Светлосни сноп је усмерен на катоду (фотокатода). Електрони, које емитује катода (К), крећу се под дејством електричног поља према аноди (А). Тако се у колу успоставља електрична струја, тј. фотоелектрична струја.
Зависност електричне струје I од напона U између електрода при сталном интензитету светлости која пада на катоду:
Са графика се види да фороелектрична струја веома брзо достиже максималну вредност (при неком релативно малом напону). При том напону, сви емитовани електрони долазе до аноде и та струја се назива струја засићења (Iz).
Губитком електрона катода постаје позитивно наелектрисана. Одласком све већег броја електрона, метал постаје све више позитивно наелектрисан и тада све јачом силом привлачи електронењ. Кад напон толико порасте, да се сви електрони враћају назад, значи да је достаигао своју максималну вредност и она се назива закочни напон (Uz).
- Ајнштајнова једначина фотоефекта :
Обновљиви извори енергије
Обновљиви извори енергије представљају енергију створену из природних извора, који су обновљиви. Ту спадају: водне снаге (енергија водотокова, морских струја и таласа, плиме и осеке), затим биомаса (и биогас, укључујући дрво и отпатке), енергија Сунчевог зрачења, енергија ветра и унутрашња топлота Земље (геотермална енергија).
Све ове изворе енергије можемо поделити у две велике категорије :
- Традиционални обновљиви извори енергије (биомаса и енергија великих хидроелектрана);
- ,,нове” обновљиве изворе енергије (енергија Сунца, ветра, геотермалне енергије и слично).
Ови извори енергије имају веома битну улогу у смањењу емисије CO2 (угљен-диоксида) у атмесферу.
- Енергија ветра
Од свих обновљивих извора енериге, енергија ветра представња најбрже растући извор. Као и код осталих извора енергије и овде постоје позитивне и негативне стране. Што се тиче негативних страна, битно је напоменути ефикасност. Без обзира што је енергија ветра увек релативно скупа, у поређењу са коришћењем фосилних горива, то није зауставило развој индустрије енергије ветра.Што се тиче енергетског потенцијала ветра, постоји такозвани Атлас ветра и он представља збир свих карата на којима су уцртане области са карактеристичним интензитетима брзине ветра, тј. густинама снаге ветра на одређеној висини изнад тла.
- Енергија Сунца
Сунчево зрачење, тј. енергија Сунца представља највећи, а такође и потпуно чист извор енергије. Сунце је на посредан или непосредан начин извор готово све расположиве енергије на Земљи.
Директно коришћење енергије Сунца можер се обавити на више начина:
- Помоћу соларних панела или колектора – соларна енергија се на овај начин претвара у топлотну и у већини случајева се користи за загревање воде;
- Концентрисање соларне енергије – усмеравање соларног зрачења употребом поља огледала у једну тачку, у којој се нека течност загрева на високој температури. Овако загрејана течност користи се за произвидњу електричне енергије;
- Соларне ћелије – претварање соларне енергије директно у електричну енергију.
Треба нагласити да соларна енергија представља основни извор енергије за сателите и свемирске сонде, након лансирања.
- Биоенергија из биомасе
Биомаса представља биолошки материјал који је настао од живих организама, као што је дрвна маса и различите врсте комуналног и другог отпада. Може се користити за генерисање топлоте која после може послужити за производњу електричне енергије. У биомасу се такође убрајају биљни и животињски материјали, који се користе приликом производње разних влакана и хемикалија. Извори биомасе из којих можемо добити енергију су: дрвна маса, разне врсте отпада, смеће, отпадни гасови и алкохолна горива. На релативно једноставан начин, биомаса може бити преведена у употребљиве изворе енергије, попут метана или горива за транспорт, као што су етанол и биодизел.
Као извор обновљиве енергије, биомасу можемо поделити на:
- Дрвну биомасу (пиљевина, остаци приликом орезивања дрвећа);
- Жетвене остатке (пшенична слама, кукурузовина);
- Животињски отпади остаци (животињски измет, лишине животиња);
- Биомаса из отпада (зелена фракција кућног отпада, муљ из колектора пречишћавања воде).
- Енергија воде
Хидроенергија представља најбитнији обновљиви извор енергије. Она је обновљива захваљујући Сунчевој енергији, која непрестано одржава хидролошки циклус. Наравно, коришћење енергије воде има одређена ограничења, која се првенствено односе на то да је неопходно доста текуће воде, по могућности током читаве године. Промене водостаја решавају се изградњом брана и акумулационих језера, што знатно подиже цену хидроелектране и подиже ниво подземних вода у околини и мења биолошку слику.
- Који алтернативни извори енергије у нашој школи су могући?
Након што смо се упознали са обновљивим изворима енергије, закључили смо да је подручје на којем се налази наша школа потенцијално најпогодније за коришће Сунчеве енергије и енергије ветра, односно ветрењача и соларних панела.
Ветрењаче:
Тајна која лежи иза рада ветрењача јесте претварање покретачке снаге ветра у механичку преко ротора који се окреће под притиском ветра.
Ветрењаче користе пропелере који акумулирају ветар. Ови пропелери се користе за подизање и окретање ветрењаче. Пропелери су везани за осовину која је такође повезана за електрични генератор за производњу електричне енергије. Електрична енергија се производи када се осовина окреће при окретању пропелера. Електрична енергија се шаље кроз жице и сакупља се.
Положај ветрењаче је од суштинског значаја пошто се тиме обезбеђује приступ најбољим резервама ветра.
Величина такође утиче на рад ветрењача. Ветрењача може да произведе одређену количину електричне енергије у зависности од величине. Веће ветрењаче су јаче и могу да произвдеу већу количину енегије. Мање могу да напајају струјом само мање домаћинство.
Производња елетричне електричне енергије зависи од рада ветрењача поготово када не постоји довољна јачина ветра.
Исплативност:
Просечна цена ветрењаче износи 250.000 динара са максималном снагом од 1000W, a радном снагом од 48V DC, чија минимална потребна почетна брзина за рад износи 2,5 м/с.
За потребе наше школе било би потребно минимум 5 ветрењача (што би у просеку износило 1.250.000 динара)које би биле постављене поред реке Ресаве, јер ту је јачина ветра најјача.
Проблеми који би се јавили:
-Подручије на којем би ветрењаче биле постављене не би имале довољну количину ветра за потребе школе током целе школске године.
-Струја добијена из ветрењача је једносмерна, а школа користи наизменичну струју, тако да би се добијена енергија или морала користити одмах или да се складишти у одговарљајуће батерије, чија цена износи 390.000 динара по једној ветрењачи(што би укупно износило 1.950.000 динара).
Из приложених података можемо закључити да би био потребан велики капитал за инвестирање у ветрењаче. Када би се поставиле ветрењаче укупни трошкови би износили преко 3.200.000 динара.
Можемо закључити да се постављање ветрењача и коришћење ветрове енергије на нашем подручју школе не исплати.
Соларни панели:
Соларни панел се односи на панел дизајниран да апсорбује сунчеве зраке као извор енергије за производњу електричне енергије или грејања.
Фотонапонски модул је упакован, повезане монтаже чине углавном 6 × 10 фотонапонских соларних ћелија. Фотонапонски модули чине фотонапонски низ једног фотонапонског система који ствара и снабдева соларну енергију у комерцијалним и стамбеним апликацијама. Јачина модула излазном снагом под стандардним условима тестирања, типично се креће од 100 до 365 вати.
Фотонапонске ћелије су направљене од специјалног материјала тзв. полупроводника као што је силицијум, које се тренутно најчешће користи. У принципу, када сунчев зрак удари у ћелију, одређена количина светлости се задржава у полупроводничком материјалу. То значи да се енергија задржане светлости трансформише у полупроводнику. Електронски удар изазива да електрони напуштају своје атоме и плутају.
Фотонапонске ћелије такође имају једно или више електронских поља која гурају електроне који су ослобођени сакупљањем светлости да се крећу у одређеном смеру. Кретање електрона је заправо струја, и постављањем металних контаката на врх и дно фотонапонске ћелије, можемо повући ту струју за спољашњу употребу рецимо да напајамо дигитрон. Ова струја, заједно са напоном ћелија дефинише снагу (или волтажу) коју соларна ћелија може да произведе.
Као и код ветрењача произведена енергија зависи од количине присутности Сунчевих зрака.
Исплативост:
Просечна цена једног соларног панела у капацитету 325-340W износи 17.000 динара, који би одговарао потребама наше школе. Узевши у обзир да у склопу Средње школе Свилајнац улазе три зграде, било би нам потребно укупно 8 соларних панела(што би у просеку износило укупно 140.000 динара), који би били постављени на крововима зграда.
Проблеми који би се јавили:
-Струја добијена из соларних панела је једносмерна, а школа користи наизменичну струју, тако да би се добијена енергија или морала користити одмах или да се складишти у одговарљајуће батерије, чија цена износи 50.000 динара по једној соларној панели(што би укупно износило 400.000 динара).
-Школа ради од месеца септембра до месеца јуна, тако да би промене годишњих доба утицале на могућност коришћења соларних панела, односно соларни панели би могли радити у просеку максимум 6 месеци.
Из приложених података можемо закључити да би био потребан капитам мањи за инвестирање у соларне панеле, него у инвестирање ветрењача. Укупни трошкови постављања панела би износили минимум 550.000 динара.Можемо закључити да би се исплатило постављање соларних панела и коришћење Сунчеве енергије на подручју наше школе у Свилајнцу.