KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

12. lecke: Alternatív, megújuló energia források - Napelemek használata közúti járműveken a gyakorlatban

| A lecke tanulásának a célja: Egyre fontosabbá fog válni számunkra a megújuló energia források használata. Ezzel összefüggésben ismerkednek meg a hallgatók a napelemek tulajdonságaival, összekötésük optimálásával.
Szükségesen elsajátítandó: Tudni kell a napelemek fajtáit, tulajdonságait. Hogyan érdemes az egyes cellákat összekötni, milyen eszközök szükségesek egy napelem modul vagy cella méréséhez. Járműveken, lakóházon hogyan érdemes pozícionálni őket.
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 elect-ronic systems, British Library 2012 4th edition Bosch műszaki útmutató füzetek, Maróti kiadó
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Alternatív energia források vizsgálata
Alternatív energia források fajtái a következők:
Szélerőmű Vízi erőmű (árapály is) Geotermikus energia forrás Biomassza Napelemek Napkohók Mit jelent az alternatív szó itt? Megújuló energia, emberi léptékkel nézve, lehet károsanyag kibocsájtása is (fa tüzelése)
Polikristályos és Bosch Monokristályos cellák
1. ábra
Az 1. ábrán a Polikristályos, illetve Bosch Monokristályos cellák láthatóak.
Napelem cella típusok
Monocrystalline 15-20% hatásfokú, cella feszültsége 0,5 V Polycrystalline 10-15%, cella feszültsége 0,5 V Amorf cells 1-2 μm, 5-10%, cella feszültsége 0,5 V Multijunction cells 20-40% with concentration, cella feszültsége 2,375 V
Többátmenetes napelem cella és hullámhossz érzékenysége
2. ábra
A 2. ábrán többátmenetes napelem cella rétegrendjei láthatóak, illetve a fény hullámhossztartományán belüli érzékenysége. Jól látható, hogy a cella egyes rétegei más-más hullámhosszakra érzékeny és azokból nyer energiát. Ezek összeadódnak, így lesz hatásfokuk jelentősen magasabb, mint a Si alapú celláké. A 3. ábrán jól látható a hasznosított hullámhossz tartomány és arány az egyik illetve másik cella esetében.
Mono és 3 átmenetes cella hullámhossz érzékenysége
Mono és 3 átmenetes cella hullámhossz érzékenysége
3. ábra
Járműipari használatuk
Alternatív energia forrás: napelemek Napelemem járműveken: Ultra könnyű versenyautók Hagyományos kistömegű járművek Hagyományos járművek
A 4. ábrán mutatott járművek napelemekkel villamos energiát hasznosítanak. Erről a témakörről már esett szó a 9. leckében.
Járműipari használatuk
4. ábra
Szolár kocka
Napelem oldalak összekötésének vizsgálata maximális teljesítmény kereséssel Azonos irányítottságú oldalakat lehet sorba kötni DC-DC konvertálás, cella darabolás- mivel jár
Készítettünk egy "szolár kockát", amely az 5. ábrán látható. Feltételezve, hogy ha egy járművet minél nagyobb részben szeretnénk napelemekkel borítani. A kockánk fapados, de hűen tükrözi a járműre szerelt napelemek elhelyezkedését. A modulokat hogyan érdemes összekötni, hogyan kapunk optimális és maximális teljesítményt a napelemekből? Megállapítható, hogy az azonos irányítottságú cellákat gond nélkül lehet sorba kötni, a rajtuk átfolyó áram marad ugyanakkora, a feszültség pedig összeadódik. Különböző irányítottságú cellákat sorba kötve mindig a legkisebb merőleges beesésű fényt kapó cella áramtermelése lesz a legkisebb és a többin is ekkora áram folyna át. Emiatt ezt el kell kerülni, csak az azonos irányba nézőket lehet sorba kötni. A különböző irányba esőket annyi párhuzamos körre kell bontani, ahány irány létezik, illetve eltér. Lehet, hogy a rossz irányba álló kör, alig fog termelni, de a jó irányítottak maximálisat termelnek majd.
Általában egy energiatároló van, adott feszültséggel. Vagy úgy választjuk meg a cellák számát, hogy az adott kör tudja tölteni az akkumulátort, vagy DC-DC konverterrel változtatunk a feszültségen. Nyilván ez veszteséggel jár. Szerencsésebb egy 12 V-os rendszer esetében 36 cellát sorba kötni, mert a névleges feszültség ilyenkor fele a cellaszámnak, esetünkben 18 V. Töltés közben a feszültség lejjebb esik, kb. 14 V-ra, ami ideális. Ha nincs elegendően nagy felületünk, akkor a feszültségen tudunk úgy is emelni, hogy félbe daraboljuk a napelemeket. Ilyenkor a fele akkora cella feszültsége nem változik, de felülete feleződik, így árama is. A két cellát sorba kötve a feszültség duplázódik, árama feleződik. Azaz a teljesítmény nem fog változni, de a feszültségünk emelkedett.
Szolár kocka
5. ábra
Jármű forma vizsgálat
Légellenállás Napelemek villamos teljesítménye Felülete
A 6. ábrán mutatott jármű alakkal végezve kísérleteket megállapítható, hogy figyelembe véve a légellenállást, villamos energia töltést a piros vonallal jelzett forma a legjobb. Itt még a tetőn levő ferde cellák alig kevesebb energiát termelnek, mint a vízszintes helyzetűek. Viszont egy kicsivel hosszabb lett a hossza, nőhet a napelem felület is. Természetesen jelentősen függ a jármű sebességétől is a számítás, hiszen a légellenállás nem elsőfokú taggal számít be a veszteségbe.
A 7. ábrán is a napelem modulok tájolása a lényeg, de már nem járműre szerelve, hanem tetőre, talajra. Két esetről érdemes említést tenni, ha vízszintesen, vagy a szélességi foknak leginkább optimálisan van telepítve a napelem modul. Nálunk ez kb. 35° dőlésszöget jelent. A bal oldali ábrából látszik, hogy a vízszintes tájolás télen nem szerencsés. Csak harmad annyi energiát tud az optimális délidőben a nyári napokhoz viszonyítva. Ezzel szemben, ha pl. 45°-ra döntjük meg a modulokat, akkor hasonló mennyiséget tudunk termeltetni a napelemekkel nyáron és télen is (-10-15%). A merőleges vektorok hasonlóak ilyenkor. Ebbe az értékbe még az is belejátszik, hogy télen hidegebb van, ami javítja a hatásfokát a napelemnek.
Jármű alakjának fontossága
6. ábra
Napelemek tájolása, teljesítményei
Napelemek tájolása, teljesítményei
7. ábra
Napelemek tájolása, teljesítményei
8. ábra
A 8. ábra utal a hőmérséklet hatására. A piros vonallal jelzett felhős- napos időben hogyan mehet a pillanatnyi töltés a verőfényes szint fölé. Úgy, hogy ott a felhős időben lehűlt a napelem és jobb hatásfokkal kezdett termelni, amikor ezután előbújt a nap. Derült idő esetén a folyamatos forróság miatt a napelem hatásfoka gyengébb. A hőmérsékleti együttható egyébként -0,5 %/°
Napelem max. munkapont
Napelem maximális munkapontja
9. ábra
A 9. ábra mutatja a maximális teljesítmény munkapontját. Természetesen ez a görbe legmagasabb pontján van, ahol a teljesítmény derivált 0-val egyenlő. A különböző trekkelős módszerek pont ezt keresik, mikor vált előjelet a derivált és ha nem változik a fényviszony, jó eséllyel nem kell változtatni a munkaponton sem.
Mérőberendezés feladatai:
globális sugárzás mérése [W/m2], napelem cella és környezeti hőmérséklet érzékelése, napelem cella áram és feszültség mérése, műterhelés, fényspektrum mérés és rögzítés ???, számítógépes adatrögzítés
Pyranométer (10. ábrán látható)
Napnak a közvetlen és közvetett (a légkör részecskéin szóródott) sugárzását méri W/m2-ben, a teljes sugárzási spektrumtartományon (300 - 2800 nm), 180°-os látószögben. Érzékelője általában hőelem, így működéséhez nem igényel külső energiát, viszont kimeneti jele mikrovolt nagyságrendű, így további feldolgozás előtt általában erősítésre szorul. Az eszköz elnevezése a görög nyelvből származik: pyr = tűz, ano = égbolt.
ISO-szabvány szerint kalibrált és minősített kicsi a hőmérsékleti együtthatója Szennyeződésre kevéssé érzékeny
Pyranométer
10. ábra
Napelem cella és környezeti hőmérséklet fontossága:
Voltage at max. Power Δ V m p /Δ T↑ [mV/°C] - 6.1 T nő - U csökken
Current at max. Power Δ I m p /Δ T↑ [mA/°C] 0.28 T nő - I nő
Monokristályos szilícium napelem cellák 30°C feletti hőmérsékleten celsius fokonként megközelítőleg 0,5%-ot csökken a hatásfoka. A hatásfok függést a TC (thermal cofficient) adja meg. Ez a hőmérséklet függés látható a 11. ábrán is.
Napelemek hőmérséklet függése
Napelemek hőmérséklet függése
11. ábra
Műterhelés
A műterhelés egy szigetelt vezérlőelektródájú térvezérlésű tranzisztor (MOSFET). A vezérlése a mikrokontroller felől, impulzus szélesség modulációval történik. A kitöltési tényező változására a MOSFET ellenállása csökken, így nagyobb áramot enged át. Így a napelemek felől áram fog folyni.
Számítógépes adatrögzítés
Az adatrögzítést a feldolgozó program végzi. A program TDMS formátumba ment, amely kompatibilis az excell táblázatkezelővel. A rögzítés akkor kezdődik, amikor a mérés engedélyezőt aktiváljuk.
Labview program
Labview program
12. ábra
28%-os Triple Junction GaAs napelem
40*80mm, 3020 mm2,
GaInP/GaAs/Ge on Ge substrate Average Efficiency ?bare (1367 W/m2) 28.0 [%]
Voltage at max. Power Vmp [mV] 2371
Current at max. Power Imp [mA] 487.0
28% Triple Junction GaAs Solar Cell
13. ábra
A mérés menetét a fentiek szerint végzi a 12. ábra szerinti labview program. A vizsgált három átmenetes cella adatait a 13. ábra fölé írtam. A kapott eredményeket a 14. ábrán látható módon ábrázolja a program. A bal oldalra az aktuális mérési pont értékeit írja ki. A grafikonról leolvashatóak a kapott értékei a napelemnek, melyek a következők voltak: I=250 mA, U=2,3 V, P=350 mW, E=26%. Egyedül az áram kisebb az adatlapéhoz képest, de valószínűleg kisebb volt a beeső fény intenzitása a szükségesnél.
14. ábra
Mérési eredmények
2, 5 V 250 mA 350 mW max. 28% Global Irradiance: 388 (830) W/m2
Teljesítmény/fesz.
Teljesítmény/fesz.
15. ábra
A 15. és 16. ábrán a háromszori mérés teljesítmény és feszültség, illetve áram és feszültség grafikonját láthatjuk. Szépen együtt futnak az eredmények, nagyon hasonlítanak a grafikonok a gyári adatlapokéra.
Áram/fesz
16. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Mekkora feszültségű egy szilícium alapú napelem cella (V)
| 1
| 2
| 0,5
| 0,1
2. Miért magasabb hatásfokú egy többátmenetes napelem cella, mint egy monokristályos?
| Mert kevésbé hőérzékeny
| Hatásfoka magasabb, mert vastagabb napelem
| A különböző rétegei más hullámhosszakra érzékenyek, s a termelt energiák összeadódnak
3. Milyen tulajdonságok szükségesek egy járműnek, hogy napelemekkel érdemes legyen beborítani?
| Nagy sebességgel haladjon
| Legyen sok villamos fogyasztója
| Kicsi összsúlya legyen
| Minél nagyobb felülettel rendelkezzen
4. Különböző irányítottságú napelem modulokat hogyan érdemes összekötni?
| delta
| párhuzamosan
| sorba
| sehogy
5. Melyik módszerrel hozható ki több energia egy napelem modulból?
| MPPT szabályzóval
| Hősugárzóval
| Hűtőgéppel
6. Miért tud egy napelem modul ideális beállítással télen majdnem annyit tölteni, mint nyáron?
| Mert a hideg időben jobb a hatásfoka
| Télen a hó plusz fényt tükröz a napelemre
| Nyáron sok a felhős idő
| Hőmérséklet emelkedéssel nyáron jobb hatásfokú
7. Az optimális munkapontú terhelésnél mennyi a teljesítmény deriváltja a napelemnek?
| több mint nulla
| nulla
| kevesebb mint nulla
| 1
| 2
8. Mit mér a pyranométer?
| A leesett eső mennyiségét méri
| A ráeső napfény hómérsékletét
| A Napról ráeső fény sugárzását méri
| Az MPPT munkapontját méri
| A szél sebességét méri
9. Mennyi a többátmenetes napelem cella feszültsége optimális esetben (V)?
| 2,0
| 2,37
| 4,2
| 0,5
| 3,7
10. Napelemes kísérletünknél mi okoz problémát a mérésben?
| A Napot helyettesítő lámpa nem ad elegendően nagy egyenletesen megvilágított felületet.
| Nem elég nagy a pyranométer erősítése.
| A lassú bemelegedése a lámpának
| Egy idő után a pyranométer nincs a környéken