KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

9. lecke: Alternatív energia források használata - Napelemek használata közúti járműveken

| A lecke tanulásának a célja: A közeljövőben rohamosan átalakul a mai járműipar. A jelentős energia fogyasztás és károsanyag kibocsájtás miatt előtérbe kerülnek a kis fogyasztású és kevés károsanyagot kipufogó hibrid és villamos hajtású járművek. Ezek villamos energia igényét ideális esetben alternatív energiahordozókból szeretnénk biztosítani
Szükségesen elsajátítandó: Az új járműipari trendeket, jármű fajtákat és üzemanyag forrásukat kell a lecke során megtanulnia a hallgatóknak.
Oktatási segédlet: Endrődy-Nagy: Gépjármű villamos berendezések Tk. Bp. 1987. J 19-610 Schmidt-Rajki-Vincze: Járművillamosság Tk. Bp. 2002 Tom Denton: Automobile electrical and electronic systems, British Library 2012 4th edition Bosch műszaki útmutató füzetek, Maróti kiadó
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90perc szükséges.
Tartalom:
Alternatív energiaforrás: napelemek Napelemek járműveken Extra könnyű versenyautók Hagyományos, kisméretű járműkategória Napelemek használata általános autóknál
Napelemek járműveken
1. ábra
Az 1. ábra különböző típusú napenergiát hasznosító járműveket mutat.
Modern civilizáció "vívmányai":
Globális energetikai problémák Környezetszennyezés
Teendőink:
Energia felhasználás csökkentése Környezet tudatos szemlélet Energia- és járműipar átalakítása
Számok, adatok éves lebontásban:
15 TW=15*1012 W; Összes teljesítmény felhasználás jelenleg Földet érő napsugárzás: 86000 TW; Igazából többezerszeres a Földre érkező napenergia mennyisége az elhasználtnak Szélenergia: 870 TW; Szélenergiából is könnyedén elegendő energia termelhető lenne Geotermikus: 32 TW; Magában is tudná az igényeket teljesíteni
A 2. ábra szemlélteti a többátmenetes napelem cella rétegrendjét és hullámhossz tartomány szerinti energia hasznosításának elosztását. Azért tud ilyen magas hatásfokot teljesíteni, mert a napelem egyes rétegei más-más hullámhossz tartományra érzékenyek. S ezek összegződnek természetesen. Átlagos cellafeszültsége (2,4 V) is többszöröse a Si alapú 0,5 V feszültségű poli- vagy monokristályos napelemeknek.
Napelem típusok:
Monokristályos 15-20% hatásfok Polykristályos 10-15% Amorf cellák 1-2 μm vastag, de jóval olcsóbb a többihez képest, 5-10% Többátmenetes cellák 20-40% (koncentrálva a napfényt éri el a maximumot)
Többátmenetes napelem cella és hullámhosszankénti fényenergia termelése
2. ábra
Napelemek járműveken:
Főbb szempontok:
Vízszintesen elhelyezni a modulokat, amennyire lehetséges. MPPT (Maximum power point tracking) vezérlők használata. A napelem modulok feszültségszintje egyezzen meg az energiatárolóéval vagy DC-DC konvertert kell alkalmazni.
A napelem modulok tervezésének nehézségei:
A jármű karosszéria elemei általában nem síkfelületek. Különböző nagyságú és irányítottságú elemek.
Járművek fogyasztása, hatótáv:
A kis tömegű, városi járművek átlagos fogyasztása 0.08 és 0.12 kWh/km közé esik. Napi 20 km-t tesznek meg átlagosan. Körülbelül 1-2 kWh energiát fogyasztanak naponta ezek a járművek. 500Wh/m2/nap a napi energia termelése egy napelem modulnak négyzetméterenként. 2-4 m2 napelem kellene egy városi "kis" autóra
Mercedes Smart
3. ábra
A 3. ábra mutat egy városi kisautónak számító Smartot.
Járművek csoportosítása:
1. | Extra könnyű versenyautók: alacsony fogyasztás- napelemből termelt energia
2. | Hagyományos, kisméretű járműkategória: nem túl nagy fogyasztás- energia akkumulátorokból, folyamatos töltés mellett
3. | Hagyományos jármű napelemes töltéssel: jelentős fogyasztás- napenergia segédüzemű villamos fogyasztók számára
Extra könnyű versenyautók:
NUNA 9:
Nuon Solar team Delft-ből, 2017-es győztes World Solar Challenge Darwin-ból indul Adelaide-be, keresztül Ausztrálián Több, mint 3000 km Motor hatásfoka 98% Max. 6 m2 napelemmel fedett felület 5,3 kWh-ás akkumulátor, 21 kg battery 1,7 kw fogyasztás 100 km/h-nál Monokristályos napelemei 22,5% hatásfokúak
NUNA 9 versenyautó a verseny térképével
4. ábra
A 4. ábra mutatja a Nuna-9 versenyautót és a verseny térképét.
Az 5. ábra a Szesocart mutatja a Shell-eco marathonon 2008-ból.
Szesocar:
Shell Eco-marathon Nogaro 2008-ban, 22 km, 45 perc alatt alumínium váz és karosszéria - 158 kg Villanymotorok fogyasztása együtt 8.5 Wh/km Fogyasztás: 248 W/s Töltés: 229 W/s Eredő fogy.: 0,7 Wh/km 1513.3 km/kWh 13.367 km/l
Szesocar
5. ábra
Szenergycar:
Lausitz ringen 2009-ben alumínium váz, karbonszálas karosszéria 93% töltés/fogyasztás arány- felhős időben Fogyasztás: 278 W/s Töltés: 258 W/s 1468 km/kWh 12.973 km/l 149 kg
Szenergycar
6. ábra
A 6. ábra mutatja a nem ideális időben versenyző Szenergycar versenyt.
Szevolution car:
A 2010. évi Shell Eco-marathon győztese napelemes városi autó kategóriában 138 kg, 1,3*1,3*3,5 m Először pozitív energia mérleggel ebben a kategóriában, 109% 6.9 m2, 417 W/s Motorok fogyasztása: 381 W/s, ∞/km
Szevolution car
7. ábra
A 7. ábra mutatja be a pozitív energia tartalommal célba érkező Szevolution-t.
Hagyományos, kisméretű járműkategória:
Venturi Eclectic:
Francia golfautó Kis fogyasztás, káros anyag kibocsájtása nincs Nap és szél energiáját hasznosítja, villamos motor hajtja Ára 24,000 eurótól indul 2.5 m2 szolár panel 50 km/h 50 km hatótáv
Venturi Electric golfautója
8. ábra
A 8. ábra mutatja be a Venturi elektromos golfautóját.
Szelectra:
15 kW-os motor 5*50 V-os akkumulátor egységek moped autó, nincs oldalsó ablaka
A 9. ábra egyetemünk kétüléses autóját mutatja, a Szelectrát.
Szelectra
9. ábra
Hagyományos jármű napelemes töltéssel:
Szolár panelek a Ford Transit kisteherautón 6 db sorba kötve - 120 V (10. ábra) 500W/s optimális töltési teljesítmény a 6 m2 napelemből Akkumulátor feszültsége több, mint 400 V (128 db LiPo cella) DC-DC konverter 120V-ból készít 400 V-ot Átlagos fogyasztását nem tudják pótolni a napelem modulok. Segédüzemi villamos ellátást könnyedén biztosít.
Ford Transit kisteherautó
10. ábra
Tömegközlekedésben használt "Solarve" névre keresztelt busz Okayamában a 11. ábrán. Hibrid dízel- villamos busz. A tetőre telepített Sanyo napelemek generálnak 798 W teljesítményt a világítás és légszűrő számára.
Solarve
11. ábra
Napelemes tetejű busz tisztítja a belső levegőjét a járműnek. A négy szolár modul tölti az akkumulátorát a busznak és így már bekapcsolható a légkondi, illetve internet akkor is, amikor nem működik a dízelmotor.
Napelemes tetejű busz
12. ábra
A 12. ábra egy másik napelemmel felszerelt autóbusz járatot mutat, míg a 13. ábra a zöld színű Tindót. Alább sorakoznak tulajdonságai.
A Tindo elektromos busz Adelaide-ben, Új-zélandon. A Szolár busz projektet- 700 kW teljesítményű photovoltaikus erőmű tölti. 11db zebra akkumulátora sodium / nickel chloride-ból áll. 200 km hatósugár. Töltéskor percenként 1 km-nyi energiát tölt.
Tindo
13. ábra
Kis villamos vonat a 14. ábrán látható A napelemes töltésű villamos hajtású motorkocsi a Királyréti Erdei Vasútnál. 3 fázisú aszinkron motor hajtja.
Kis villamos vonat
14. ábra
Következtetések:
A napelem modulok használata egyre inkább elterjed az új közlekedési eszközöknél is. Sok féle jármű típusnál használhatunk napelemeket. Még vasúti járműves alkalmazása is létezik.
SZElectrycity 2013-ban Amsterdamban 0,6 m2 napelemmel
15. ábra
Legutolsó napelemes versenyautónk a Szelectrycity a 15. ábrán látható.
Míg az utolsó 16. ábra a 2019-ben Londonban 6. helyezést elért SZEMISSION járművet és a SZEnergy teamet mutatja. Eredményük 165 km/kWh, azaz kb. 50 Ft-ból tudna a versenyautó Sopronba és vissza gurulni.
SZEMission 2019-ben
16. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Melyik válasz nem alternatív energia forrás?
| geotermikus energia
| egyik sem
| napelemmel előállított villamos energia
| szélenergiából előállított villamos energia
2. Állítsd emelkedő hatásfok szerinti sorrendbe a napelem típusokat!
1. 2. 3. 4. |  |
3. A többátmenetes napelem cella Ge rétege a napfény melyik hullámhossz tartományára érzékeny?
| ultraibolya
| kék
| látható
| infravörös
4. Mekkora a cellafeszültsége egy többátmenetes napelem cellának (V)?
| 0,5
| 4,2
| 3,7
| 2,4
5. Mekkora a cellafeszültsége egy szilícium alapú napelem cellának (V)?
| 0,5
| 4,2
| 2,4
| 3,7
6. Mennyi a fogyasztása egy belsőégésű motorral szerelt kistömegű járműnek (kWh/km-ben)?
| 0,08-0,12
| 26-28
| 0,5-0,8
| 1,2-1,6
7. Hány km hosszú a World Solar Challenge?
| 322
| 3022
| 1022
| 922
8. Napelemes versenyautóink milyen eredményt értek el korábban (km/kWh)?
| 222
| 1222
| 1500
| 165
9. Hány órán át (tiszta verseny idő) tartott a verseny a World Solar Challenge győztesének 2017-ben?
| 55
| 37
| 17
| 101
10. Hány darab LiPo cellát kötöttünk sorban a hibrid Ford Trazit akkumulátorában?
| 128
| 88
| 168
| 112
| egyik előző válasz sem