Енергиен планьор

Лампите

Светлинният поток Φ се мери в лумени. Светлинната ефективност η казва колко лумена дава всеки ват: Φ = η·P. Лампа с нажежаема жичка дава около 12 лумена на ват, халогенната около 17, компактната луминесцентна около 60, а светодиодната около 100. За 800 лумена са нужни 66,7; 47,9; 13,3 и 8 вата. Енергията за срока е E = P·t, а парите са енергията по тарифата плюс купените лампи.

Окото не вижда всички цветове еднакво: най-чувствително е към зелено-жълтата светлина около 555 nm. Затова лампа, която излъчва много извън видимата област, е неикономична. Жичката излъчва като черно тяло и най-силно при дължина на вълната λ_max = b/T — около 1 073 nm при 2 700 K, тоест в инфрачервената област. От 60 вата видима светлина са около 5, а останалите са топлина.

Светодиодът свети при рекомбинация на електрон с дупка в p-n прехода. Фотонът има енергия около ширината на забранената зона: E = hc/λ, или E (eV) ≈ 1 240 / λ (nm). Синият фотон (450 nm) има 2,76 eV, червеният (650 nm) — 1,91 eV. Светодиодът свети само при ток в права посока. Бялата лампа е син светодиод и жълт луминофор. Лазерният диод е същият преход с огледални краища.

Екранът смесва светлини събирателно: червено и зелено дават жълто, трите заедно — бяло. Под лупа се виждат само червен, зелен и син подпиксел. Течнокристалният екран има бяла подсветка и филтри; при органичните светодиоди всеки подпиксел свети сам; проекторът има силен източник, образуващ елемент и обектив.

Знаеш ли, че… Светодиодът не е „студена светлина“: от 8 W около 5,6 W са топлина. Но по-скъпата за купуване лампа излиза по-евтина за десет години — разликата в цената се връща за около 230 часа.

Домът

Къщата губи топлина през стените, тавана, прозорците, пода и вентилацията. P = H·ΔT, където H е загубата на градус. Старата къща губи 485,6 W/K, а обновената с изолация около 172 W/K. При 20 °C вътре и 0 °C навън това са 9 712 W срещу 3 439 W.

Електрическата печка дава 1 J топлина за 1 J ток. Термопомпата взема топлина отвън и дава 2–4 J за 1 J ток: Q_{отдадена} = Q_взета + W, затова законът за запазване на енергията е спазен. Колко пъти повече топлина от вложения ток дава тя, е Q/W; границата на Карно T_H/(T_H − T_C) е извън програмата. Хладилникът е същата машина, обърната навътре.

Термостатът включва печката под 19,5 °C и я изключва над 20,5 °C. Делът от времето, в който работи, е равен на загубите, делени на мощността ѝ. Микровълновата печка работи на 2,45 GHz: λ = c/f ≈ 12,2 cm, а горещите места на стоящата вълна са през λ/2 ≈ 6,1 cm.

Безопасност. Не пипай контакта и уредите с мокри ръце. Металният корпус се свързва със защитния проводник, за да изтече токът в земята, а не през човека. Микровълновата печка не се включва празна и с метал вътре. Никога не гледай в лъча на лазерен диод.

Градът

Градът има най-голям товар 100 MW. Централите се подреждат час по час: атомната работи с постоянна мощност, слънцето и вятърът зависят от времето, водата се пуска в най-товарните часове, а топлоелектрическата централа покрива остатъка. Недостигът е тъмнина, излишъкът се изхвърля, защото токът не се съхранява.

Коефициентът на натоварване е E/(P·t): произведената енергия, делена на това, което централата би дала на пълна мощност. Слънчеви панели с 300 MW сами дават по-малко за деня от 100 MW въглища. Вятърът дава P = ½ρAv³: при двойна скорост — до осем пъти повече. Водата дава P = ηρgQh, слънчевият панел P = GAη.

Токът се пренася по високо напрежение: I = P/U, а загубите са I²R. При 400 kV загубите са 13 пъти по-малки, отколкото при 110 kV. Емисиите на въглероден диоксид са по целия жизнен цикъл: вятър 11, атомна 12, водна 24, слънце 48, газ 490 и въглища 820 грама на киловатчас. Безопасността се сравнява на тераватчас и включва аварии и замърсяване на въздуха. Всеки източник има свой риск и свои предимства: решенията се вземат с числа.

Знаеш ли, че… Геотермалните източници и акумулаторните батерии също са част от темата за съхранение и възобновяема енергия, но не са в тази симулация.

Какво опростихме

• Цените на лампите и на тока са игрови, не са тарифа.
• Спектрите на луминесцентната и светодиодната лампа са условни форми.
• Къщата е едно число за загубите; термопомпата е 0,4 от границата на Карно.
• Градът е сам, без внос и износ; вятърът е постоянен за деня.
• Емисиите и земята са медиани по целия жизнен цикъл.