Conrad Szaküzlet 1067 Budapest, Teréz krt. 23. Tel: (061) 302-3588 Conrad Vevőszolgálat 1124 Budapest, Jagelló út 30. Tel: (061) 319-0250
Napelemes energia - tanuló készlet Rend. sz.: 19 22 99
4. ábra Szilíciumdióda, 1N 4148 típus. A dióda katódja a rányomtatott vonalról ismerhető fel, a másik csatlakozóhuzal az anód. Az áram az anódtól a katód felé folyik.
1 Előkészületek 1.1 Kísérleti panel A kísérleti panellel a kísérleteket forrasztópáka nélkül lehet összeállítani. A panelt nevezik labor dugaszolós panelnek, vagy egyszerűen csak dugaszolós panelnek; belül rugós érintkezőkből áll, amelyek egy soros rendszerben vannak egymással összekötve. Az elektronikus alkatrészeket és összekötő huzalokat ismételten be lehet dugni az érintkezőkbe, ezáltal lehetővé válik kapcsolások felépítése forrasztás vagy csavarok nélkül. Az oldalcsípőfogóval ferdén lecsípett csatlakozóhuzalok megkönnyítik a bedugást. A tanuló készlethez mellékelt dugaszolós panel összesen 270 érintkezővel rendelkezik, 2,54 mm-es raszterben. A középső területen lévő 230 érintkező 5-ös sorokban függőleges csíkokkal van összekötve. A szélesebbik oldal szélein van egy-egy sor 20 érintkező ponttal, amelyek vízszintesen egy sínnel vannak összekötve. Ez a „felső" és „alsó" sor igen alkalmas áramellátó sínként való használatra.
Nyitóirányban (kapcsolási szimbólum: nyíl) a szilíciumdiódánál, mint pl. az 1N 4148-nál csak egy kb. 0,6 ... 0,7 V névleges feszültségnél kezd áram folyni. 5. ábra Dióda kapcsolási szimbólum
5. ábra Dióda kapcsolási szimbólum Napelemes berendezéseknél a diódákat általában kétféle módon használják: záródiódaként, vagy "bypass" (védő) diódaként. A záródiódák megakadályozzák, hogy az akku a napelemes modulokon keresztül lemerüljön, ha a napfény hiányzik. A bypass diódák védik a napelemes cellákat és a panelt a lehetséges károsodásoktól, amelyeket a részleges árnyékolás okozhat. 1.5 Világítódiódák A LED (light emitting diode = fény kibocsátó dióda) még egy tulajdonsággal rendelkezik: világít, ha feszültséget kap. A LED eket normál esetben mindig egy előtétellenállással kell működtetni, az áramkorlátozás érdekében. A piros LED-ek igénylik a legkisebb feszültséget (1,8 V). Ezután következnek a sárga, zöld, kék, majd végül a fehér LED-ek a legnagyobb feszültséggel (max. 3,6 V).
1. ábra A dugaszolós panel felépítése 1.2 Napelemes modul A mellékelt napelemes modul több polikristályos napelemes cellából áll. A szilícium anyag, amely több kristályból áll, mesterséges adalékolással úgy lesz szennyezve, hogy egy negatív és egy pozitív réteg áll elő. Felül az n-réteg (negatív szennyezettség) a fény jobb elnyelésére sötétkékkel van bevonva. Az alsó réteg a p-réteg. A ráeső fénytől az elektronok mozgásba jönnek, és feszültség keletkezik a két előbb leírt réteg között. Ezt a feszültséget és a folyó áramot tudjuk felhasználni. Egy kristályos napelemes cellán kb. 0,5 V / cella feszültség lesz. Az áram függ a cella méretétől.
2. ábra: Napelemes modul kapcsolási rajzszimbóluma 1.3 Napelemes motor A tanuló-készletben egy napelemes motor található, amely már a legcsekélyebb árammal és kis feszültséggel is indul, egy kisfeszültségű egyenáramú motorral van dolgunk.
3. ábra Motor kapcsolási szimbólum 1.4 Diódák A diódák az áramot csak egy irányban engedik át. Ezért a diódákat többek között váltakozó feszültségek egyenirányítására, és egyenfeszültségnél a nemkívánt polaritás blokkolására használják. Egy dióda működését normál üzemben leginkább úgy lehet elképzelni, mint a szelepét.
6. ábra A világítódiódák csatlakozásai: Az anód (+) kivezetése hosszabb, a katód (-) a házon egy letöréssel (6b) van jelölve.
7. ábra LED kapcsolási szimbólum A "normális" LED-eken kívül ismertek speciális kivitelű LED-ek, pl. villogó LED-ek. A villogó LED ismertetőjele kis fekete pont a piros házon belül. Ez a pont igen apró elektronikát tartalmaz egy integrált áramkör formájában, amely a LED-et amint a megfelelő feszültség jelen van - villogásra készteti. 1.6 Ellenállások Az ellenállás passzív építőelem az elektromos és elektronikus kapcsolásokban. Fő feladata a folyó áram csökkentése "észszerű" értékekre. Az ellenállások értéke színes gyűrűk formájában kódolva van rájuk nyomtatva. A első négy színes gyűrű az ellenállás értékét adja meg a következő táblázat szerint. Az ötödik (keskenyebb) színes gyűrű az ellenállás értékének tűrését jelzi. Tipp az ellenállások egyszerű megkülönböztetésére a tanuló-csomagban: A 10-Ω-os típus vastagabb, mint a többiek. A 100-Ω-os típusból két db van. A csomagban fémréteg ellenállások vannak, a következő értékekkel: Ellenállás értéke
1. Gyűrű
2. Gyűrű
3. Gyűrű
4. Gyűrű
6. Gyűrű
10 Ω
barna
fekete
fekete
arany
barna
100 Ω
barna
fekete
fekete
fekete
barna
1 kΩ
barna
fekete
fekete
barna
barna
2,2 kΩ
piros
piros
fekete
barna
barna
8. ábra Ellenállás kapcsolási rajz-szimbóluma 1.7 Elektrolitkondenzátorok (elkók) Az elektrolitkondenzátorok a normál kondenzátorokhoz képest nagyobb kapacitással rendelkeznek. Az elektrolitok miatt az elkók pólusfüggők, a csatlakozók egy pluszpólussal és egy mínuszpólussal vannak jelölve. Ha az építőelem hosszabb ideig "tévesen" van csatlakoztatva, a kondenzátor elektrolitja tönkremegy. A rányomtatott maximális feszültség értéket nem szabad túllépni, mert a szigetelő réteg tönkremehet. μF jelentése „mikrofarad“; a μ egység az alapegység milliomod része.
9. ábra Elektrolitkondenzátorok (elkók) kivezetésekkel; a plusz pólus a hosszabb kivezetés. Ezen kívül a mínusz pólus a házon egy világos vonallal van jelölve.
10. ábra Elkó kapcsolási szimbólum Egyszerűség kedvéért az elektrolitkondenzátor megnevezést a szakemberek "elkó"-ra rövidítették. Itt is ezt a rövidítést használjuk. 1.8 Kapcsoló-vezeték Átkötéseket a mellékelt kapcsoló-vezetékből lehet előállítani. Ehhez az átkötés körülbelüli hosszát kell megbecsülni vagy lemérni (hozzáadva a huzalvégek hosszát, amelyeket a dugaszolós érintkezőkbe kell bedugni). A végeket kb. 8 mm hosszban kell lecsupaszítani. Az oldalvágóval ferdén lecsípett csatlakozó-huzalok megkönnyítik a bedugást a panel érintkezőkbe. Az előállított átkötés újból felhasználható. 2 A napelemes modul csatlakoztatása és funkciója A napelemes modulok tulajdonságait és működését a következő fejezetekben a gyakorlati kísérletekből lehet megismerni. Megtapasztalhatjuk, hogyan használhatók a napelemes modulok, és mit kell figyelembe venni az optimális energiahozam eléréséhez. 2.1 A napelemes modul csatlakoztatása a dugaszolós panelhez Kísérleti elrendezés: 1 napelemes modul, dugaszolós panel, csatlakozó tűsor A modul hátoldalán forrasztós csatlakozók vannak ráforrasztott kábelekkel. A modul egyenáramot fejleszt. Így, mint egy elemnél, egy plusz és egy mínusz pólus van. Kösse a fekete és a piros kábelt a dugaszolós panelhez. Ajánlatos az alsó sínbe a fekete, és a felső sínbe a piros csatlakozót bedugni. A napelemes modul majdnem minden, ezután következő kísérlethez bedugva maradhat.
11. ábra A napelemes modul csatlakozó vezetékei (huzalvégek) közvetlenül is bedughatók a panelbe, de dugaszolható stiftek stabilizálhatják a csatlakozást. Helyezze el úgy a napelemes modult, hogy elegendően erős fényforrás süssön rá. A napelemes modulok teljesítmény értékeinek meghatározására különböző mérési módok ismertek: • Kijelzés LED-ekkel • Mérés egy fogyasztóval, pl. motorral • Mérések multiméterrel (külön beszerzendő) • Mérések és kiértékelés PC-vel (nincs betervezve). A világítódiódákkal egyszerű mérési feladatok oldhatók meg, pl. a polaritás kijelzése, vagy alapvető funkciók kijelzése. Ha bonyolultabb mérési feladatokat kívánunk megoldani, egy multiméter jó szolgálatokat tehet. A tanulócsomaggal egyszerű mérések és funkciókijelzések végezhetők LED-ekkel és motorral. 2.2 A napelemes modul működése és megfelelő fényforrás Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, ellenállás 100 Ω, piros LED Ezt a kísérletet kevés fény mellett (felhős ég) el lehet végezni, de sok fénynél (erős napsütés) a látható hatások jobban érvényesülnek. Dugja be egy piros LED (világítódióda) kivezetéseit és a 100 Ω --os előtétellenállást a panelba. A világítódióda hosszabb kivezetését a piros "oldallal" (+) kell összekötni. A besugárzás intenzitásától függően a világítódióda nagyobb vagy kisebb fényerővel világít. Ha a LED nem világít, akkor vagy kevés "fényenergia" van jelen, vagy a LED téves pólusokkal lett csatlakoztatva. Ha a LED villog, akkor a piros villogó LED-et alkalmazta.
12. ábra Egyszerű működési teszt egy piros világítódiódával
13. ábra A dugaszolós panel felépítése
A kísérlet különböző fényforrásokkal végezhető, pl. közvetlenül napsütéssel, halogén lámpával, izzólámpával, zseblámpával, energiatakarékos lámpával, fénycsővel, LED-es zseblámpával, stb. Ha a LED fényesen világít, a fényforrás megfelelő. 3 A napelem áram polaritásának meghatározása Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, 100 Ω-os ellenállás, piros, narancssárga vagy zöld LED A következő kísérlethez erős fényforrás szükséges. A következőkben felépítünk egy polaritás vizsgálót, amellyel a napelemes modul (plusz- és mínusz pólus) és más feszültségforrások polaritását kényelmesen meghatározhatjuk, anélkül, hogy valamit át kellene dugaszolni. A felső sínről készítsünk összeköttetést az ötös sorral egy 100 Ω -os előtétellenállással, és innen keresztben egy további ötös sorhoz. Az alsó sínről két LED-et kötünk össze ezekkel az ötös sorokkal. A LED-ek kijelzik a polaritást. Például a LED-eket úgy lehet bedugni, hogy a piros LED helytelen polaritásnál, és a narancssárga LED helyes polaritásnál világítson. A narancssárga LED helyett a zöld is használható, de ennek működése nappali fényben kevésbé vehető észre. A napelemes modul kivezetéseit most már - a polaritást figyelmen kívül hagyva - csatlakoztatni lehet a dugaszolós panelhez. A LED-ek jelzik, hogy milyen a polaritás.
14. ábra Dugaszolós panel LED-es polaritásvizsgálóval
15. ábra A vezetékezés részletei Ha a polaritásvizsgálót nagyobb elemfeszültségekhez (pl. 9 V-hoz) akarja használni, az előtétellenállást az 1 k-sal kell kicserélni, hogy a LED-ek ne menjenek tönkre. 4 Napelemes áram felhasználása közvetlenül LED-ekkel Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, előtét ellenállás 100 Ω, piros, zöld, narancssárga, villogó LED. Ez a kísérlet kevés fény (felhős ég) esetén is működik.
16. ábra Dugja be egymás után a zöld, a piros, a narancssárga és a villogó LED-et a dugaszolós panelba. A LED hosszabb kivezetése a plusz pólus.
17. ábra A hozzátartozó kapcsolási rajz; dugja be először a zöld, aztán a piros, majd a villogó LED-et a dugaszolós panelbe, az áramkör zárására. Húzza ki az egyik csatlakozót a napelemes modulból. Mi történik? A LED-ek már nem világítanak Dugja megint be – a LED ismét világít. 5 Soros és párhuzamos kapcsolás Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, piros, zöld, narancssárga LED, 2 100 Ω-os ellenállás 18. ábra a) Az egyes napelemes cellák soros kapcsolásának alapelve; b) Kristályos cellák laposkábellel összekötve. A LED-ek segítségével a LED-ek soros és párhuzamos kapcsolásának alapelve felderíthető. Ez a kísérlet kevés fény (felhős ég) esetén is működik.
a)
b)
63. ábra a) Az egyes napelemes cellák soros kapcsolásának alapelve; b) Kristályos cellák laposkábellel összekötve. A LED-ek segítségével a soros és párhuzamos kapcsolás alapelve vizsgálható. Mit jelent a napelemes cellák soros kapcsolása, ahogy az a tanuló készlethez mellékelt modulnál történt? • A feszültségek összeadódnak, ha a napelemes cellák egymással sorosan lesznek összekötve. • A rövidzárlati áram egyetlen napelemes cella rövidzárlati áramának felel meg - még hozzá a leggyengébbnek (a leggyengébb láncszemnek). • Ha egy napelemes cella be van árnyékolva, lecsökken a teljes napelemes modul teljesítménye, az árnyékolás mértékétől függően. • Egy cella részleges beárnyékolása esetén a megvilágított napelemes cellák betáplálják áramukat az árnyékolt cellába, ez felmelegszik, és extrém esetben tönkre is mehet. • Mit jelent a soros kapcsolás? Ennek gyakorlati vizsgálatára a következő kísérletet végezze el a LED-ekkel:
Kísérleti elrendezés: Napelemes modul, dugaszolós panel, előtét ellenállás 100 Ω, villogó LED, elkó 4 700 μF Ez a kísérlet kevés fény (felhős ég) esetén is működik. Dugja be a villogó LED-et és az előtét ellenállást a dugaszolós panelbe. 19. ábra Dugja be a piros és a narancssárga (vagy zöld) LED-et úgy a dugaszolós panelbe, hogy mindkét LED egymás után legyen kapcsolva. A LED hosszabb kivezetése a plusz pólus.
22. ábra Kapcsolási rajz: előtét ellenállás és villogó LED 20. ábra A hozzátartozó kapcsolási rajz Ennél a felépítésnél nem kell előtét ellenállást alkalmazni. Milyen fényerővel világítanak a LED-ek? Egyes napelemes cellákat (vagy napelemes modulokat) elektromosan párhuzamosan is lehet kapcsolni. Itt a napelemes cellák minden mínusz pólusa illetve minden plusz pólusa egymással össze lesz kötve. A következmény: • A párhuzamosan kapcsolt napelemes cellák feszültsége megfelel egyetlen cella feszültségének. • A rövidzárlati áram az egyes cellák áramának összege lesz. Egyforma celláknál ez a cellák számából számítható. • Össze lehet kapcsolni különböző teljesítményű (rövidzárási áramú) cellákat. Egy cella részleges beárnyékolása esetén a megvilágított napelemes cellák az összeadódó áramot az árnyékolt cellába táplálják be. Ez felmelegszik, és extrém esetben tönkre is mehet.
23. ábra A dugaszolós panel felépítése Aszerint, hogy hogyan esik a fény a napelemes modulra, a LED fényesen vagy kevésbé fényesen villog. Ha kevés fény esik rá, a villogás alig látható. Dugja most be kiegészítésként az elkót. A LED először egy ideig nem villog, majd kevés fénynél is világosabban villog. Kiegészítő kísérlet: dugjon be még egy LED-et, pl. a pirosat az előtét ellenállás helyett sorban a villogó LED-hez. Most hirtelen két villogó LED-je lett. 21a. ábra Több napelemes cella párhuzamos kapcsolása
24a. ábra Kapcsolási rajz: villogó LED és piros LED soros kapcsolásban
21b.ábra Két LED párhuzamos kapcsolása 6 Napelemes áram közbenső tárolással
27. ábra Kapcsolási rajz: napelemes villanófény, kicsi vagy nagyobb elkóval. 24b. ábra Dugaszolós panel: villogó LED és piros LED soros kapcsolásban 7 Napelemes áram, több energia? Kísérleti elrendezés: Napelemes modul, dugaszolós panel, narancssárga, erősfényű LED, 100 μF-os elkó, 4 700 μF-os elkó Ez a kísérlet még kevés fény esetén (felhős ég) is elvégezhető, a töltési idők erősebb fényforrásnál megrövidülnek. A napelemes villanófényes LED-fényt egyszerű eszközökkel elő lehet állítani. A fényforrástól függően a LED néhány másodperces töltés után a gomb nyomására erős villanófényt produkál.
Kísérletezzen először a 100 μF-os kis elkóval, majd a második kísérletben cserélje ezt ki a nagyobb, 4 700 μF-os elkóra. A villanás energiája a kis feszültség következtében csak kb. 2 mWs. Viszonylag kis töltőáram szükséges, amit a napelemes modul problémamentesen tud biztosítani. A fényforrástól függően az elkó néhány másodperc után már kielégítően fel van töltve. Takarja le a napelemes modult és nyomja ezután röviden a gombot. A LED-ek röviden felvillannak. Csak egy kis maradék fény marad meg, ha a továbbiakban a napelemes modul kevés áramot ad. 8 A napelemes működés előkészítése Kísérleti elrendezés: 1 napelemes motor, dugaszolós panel, csatlakozó tűsor, korong A motor csatlakozóvezetékei ugyanúgy, mint a napelemes modulnál, hajlékony huzalból vannak. Kösse a fekete és a piros vezetéket a dugaszolós panelhez. Ajánlott a fekete csatlakozót az alsó sínbe, és a piros csatlakozót (+) az 5-ös sor egyik érintkezőjébe bedugni.
28. ábra A napelemes modul csatlakozóvezetékei (huzalvégek) közvetlenül is bedughatók a panelbe, de dugaszoló stiftek stabilizálhatják a csatlakozást. 25. ábra A napelemes LED-villanófény felépítése A nyomógombot a mellékelt huzalból saját maga elkészítheti.
Ahhoz, hogy a motortengely forgását a kísérlet közben észlelni lehessen, ajánlatos a mellékelt korongot a motortengelyre felszerelni. Ehhez csináljon egy előfúrt lyukat középen egy tűvel. Tegye fel a karton-korongot a motor tengelyére.
26. ábra Huzal-kapcsoló vagy nyomógomb a tanuló-készletben lévő kapcsolóhuzalból
29. ábra Karton korong előkészítése a felszereléshez
a)
b) 30. ábra Karton korong a motortengelyre szerelve a) felülről, b) oldalról
33. ábra A korong forog. Ha elegendő fény esik a napelemes modulra, a motortengely magától elkezd forogni. Ha a fény túl kevés, a motort esetleg ujjal egy kicsit meg kell forgatni, hogy mozgásba jöjjön. Ez abból ered, hogy egy motor indító árama több mint kétszerese lehet a tartós működés közben igényelt áramnak.
9 Napenergia átalakítása mozgássá. Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, motor koronggal A következő kísérletekhez szükséges egy erős fényforrás (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz.
31. ábra A kísérlet elrendezése a napelemes modullal, dugaszolós panellel és motorral.
34. ábra A motor "startolása" a mutatóujjal, gyenge fény esetén. Ok: a motor indító árama nagyobb, mint a tartós üzemelési
áram. Ez a kísérlet mutatja a napelemből nyert áram és az akkuból/elemből nyert áram közötti különbséget a működésnél. A motor indításához szükséges áramot feltöltött akkuk vagy elemek minden probléma nélkül szolgáltatják. A napelemes modul közvetlen üzemben csak azt az áramot tudja a fogyasztó számára szolgáltatni, amelyet a pillanatnyi fénybesugárzás (és a napelemes cellák hatásfoka) átalakít. Ha kéznél van egy 1,5 V-os elem vagy egy akkucella, szórakozásul csatlakoztassa azt a motorra. 10 Napelemes mozgási energia start-segítéssel Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, motor, 4 700 μF-os elkó, villogó LED A következő kísérletekhez szükséges egy erős fényforrás (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz. 32. ábra Kapcsolási rajz: napelemes modul és motor A motort egy kétoldalas ragasztócsíkkal is rögzítheti egy kartonra.
Ebben a kapcsolásban az elkót a napelemes modul tölti fel. A villogó LED és a napelemes motor sorosan vannak a tárolókondenzátorral összekötve. Ha a töltés az elkóban növekszik, a LED villog. Ha elegendő fény és energia áll rendelkezésre, a napelemes motor áramimpulzusokat kap, amelyek következtében pulzáló forgómozgás jöhet létre.
A kísérlet elrendezését a 38. ábra mutatja. 38. A LED-ek vagy a motor a modulhoz vannak csatlakoztatva, a modul a fényforrás felé irányítva, és a motortengely forog. Végezze el a kísérletet kültéren erős napfényben, a fogyasztást a motor jobban jelzi ki, mint a LED-ek. A LED fényét erős környezeti világításnál alig lehet látni. Szobában is lehetséges a LED-nek egy kartondarabbal való leárnyékolása.
a) 35. ábra Dugaszolós panel felépítés huzal-kapcsolóval
b) 38. ábra Árnyékolás a) kartonnal, b) fóliával Árnyékolja le most a kezével lassan a modul egyik részét. A motor fordulatszáma egyre kisebb lesz, vagy a motor forgása teljesen leáll. 36. ábra Kapcsolási rajz Egy huzal-kapcsolón át a motor közvetlenül összeköthető az elkóval. Ha az elkó fel van töltve, a korong nagyobb fordulatszámmal forog. Kiegészítő kísérletek: kísérletezzen huzal-kapcsolóval és anélkül, és egy-egy 10-Ω-os, 100-Ω-os és 1-kΩ-os ellenállással. Mi változik a motor fordulatszámnál, és a működésnél?
39. ábra A napelemes modulhoz csatlakoztatható a motor vagy a LED-ek a 100-Ω-os előtét ellenállással.
37. ábra Kiegészítő kísérlet ellenállásokkal A kiegészítő kísérletek, mint az a 37. ábrán látható, mutatják, hogy a motorhoz folyó áramot az ellenállásokkal meg lehet változtatni, és ezzel a fordulatszámot befolyásolni. 11 A napelemes modul árnyékolása - okok és hatások Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, motor vagy LED-ek előtét ellenállással A következő kísérletekhez szükséges egy erős fényforrás (vagy teljes közvetlen napfény) a napelemes modulhoz.
Ezután további ilyen jellegű kísérleteket végezhet. · Csináljon gyengébb árnyékot egy üveglappal vagy egy matt fóliával, amelyet a fényforrás és a napelemes modul közé tart. · Csináljon nagyobb árnyékot kartonból vagy fából, amit közvetlenül a napelemes modul fölé tart. · Árnyékolja be a napelemes modul egyes celláit, úgy, hogy egy kartondarabot közvetlenül a napelemes modul egy vagy több cellája fölé tesz.
Vegye a napelemes modult a hüvelyk- és mutatóujja közé (a felület beárnyékolása nélkül), és irányozza a modul felületét lehetőleg merőlegesen a fényforrásra. Milyen gyorsan forog a motor tengelye? Változtassa ezután a napelemes modul ideoda mozgatásával az irányzást a fényforrásra és figyelje meg a motort. Minél függőlegesebben esnek a fénysugarak a modulra, annál több fényenergiát tudnak a napelemes cellák elektromos árammá átalakítani, és ezzel a motort működtetni.
40. ábra Egyes napelemes cellák beárnyékolása Nagy fotoelektromos berendezéseknél, amelyek kristályos napelemes modulokból állnak, az árnyékolás témája újra és újra problémát jelent. Ahhoz, hogy egy részleges árnyékolásnál, pl. egy lomblevél ráhullásánál ne essen ki az egész napelemes generátor, Schottky-diódákat alkalmaznak a beárnyékolt napelemes cellához. Hibás diódáknál extrém esetekben ún. "Hot Spot" léphet fel, amelynél az egyes napelemes cellák tönkremennek. 12. 12 A modul irányzása a fényforrásra Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, motor 41. ábra Kísérlet a modul irányzására a fényforrásra. A következő kísérletekhez szükséges egy erős fényforrás (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz.
43. ábra A hajlásszög sematikus ábrázolása a fényforráshoz képest. A napelemes modulra irányuló nyilak a fény intenzitását jelzik. Irányozza a napelemes modult karton, fadarabkák stb. alátételével pontosan a napra vagy egy másik fényforrásra. Figyelje meg a motort. Mint fentebb leírtuk, a motor tengelye forog. Most megérdemelt egy kis szünetet. Várjon kb. egy órát (vagy akár több órát), és nézze meg ismét a kísérlet állását. A nap már nem áll függőlegesen a napelemes modulhoz képest, a motor lassabban forog, vagy akár már meg is állt - mivel a fényforrás, a Nap az égen keletről nyugatra halad (természetesen csak látszólag), a napelemes modult optimális esetben a Nap után kellene vezetni. 13 A hőmérséklet befolyása a napelemes modulra Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, motor vagy LED-ek, 100 Ω-os ellenállás, fekete fólia vagy karton, hőmérő A következő kísérletekhez szükséges egy erős fényforrás (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz. Ebben a kísérletben megfigyelheti, hogy a környezeti hőmérséklet milyen befolyással van a napelemes modul leadott teljesítményére. A napelemes modult közvetlenül a Napra kell irányozni, a motor vagy egy LED a teljesítmény kijelzésére használható. Ha fekete papírt vagy kartont tesz ideiglenesen a napelemes modulra, az erősebben fel fog melegedni. Ha nincs hőmérő kéznél, a hőmérsékletet az ujjával is érzékelheti.
41. ábra Kísérlet a modul irányzására a fényforrásra.
a) 42. ábra Két alapvető irányzási mód
b)
44. ábra Kísérleti elrendezés – Milyen befolyást gyakorol a hőmérséklet a napelemes modulra? A hőmérséklet észlelésére egy felületi hőmérőt lehet egy ragasztócsíkkal a modul hátoldalára rögzíteni. Ha ezt a kísérletet egy meleg, napos nyári napon végzi (ilyenkor előnyös), természetesen nem kell fekete kartont használnia. A karton erősítené a melegítő hatást, fekete felület gyorsabban felveszi a hőt. Építse fel először a kísérletet közvetlen napsütésben, majd nézze meg a motor vagy a bedugott LED teljesítményét. Érzékelje a kezével a napelemes modul felületének a hőmérsékletét. A modul felületének kék színű réteggel való bevonása arra szolgál, hogy lehetőleg sok fényt nyeljen el, és lehetőleg keveset verjen vissza. Hátrány: a felület ennek megfelelően erősen felmelegszik. Közvetlen napsütésnél a modul felületének 60°Cra való felmelegedése nem tekinthető ritkaságnak. A kísérlet a következőt bizonyítja: a napelemes modulra kötött fogyasztó a modul növekvő felmelegedése esetén valamivel lassabban működik. Tegye a modult fél órára a hűtőszekrénybe, majd ismételje meg a kísérletet a modullal azonos napsütés intenzitás és csatlakoztatott motor mellett.
46. ábra A tükör-elv: A tükör által a napelemes modulra visszavert fénysugarak többlet energiát adnak. Figyelembe veendő, hogy a tükörre irányuló beesési szög egyenlő a visszaverődési szöggel a napelemes modulra. Ha a tükör megfelelő szögben van a napelemes modulra irányozva, a napelemes modulra jutó fényteljesítmény a tükrözött résszel növekszik. Ezzel a napelemes modul teljesítmény leadása egyszerűen megnövelhető. 15 Napelemes energia tárolása A kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, előtét ellenállás 100 Ω, piros, zöld, narancssárga LED, villogó LED, 100 μF-s elkó és 4 700 μF-os elkó. Ez a kísérlet kevés fény (felhős ég) esetén is működik. Igaz az a feltételezés, hogy a napelemes modul által leadott kis teljesítmény az áram észszerű tárolása által hosszú ideig nagy energiamennyiséget adhat? A számunkra láthatatlan elektromos alapelv összehasonlítható és magyarázható egy alapelvvel, ami a víznél figyelhető meg: egy vízcsap (a napelemes modul), amely több órán keresztül csöpög, lassanként megtölt egy 10 literes vödröt.
14 Több napelemes energia tükrözési technikával Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, motor, tükör (pl. tükröző fémek, tükörcsempék, kozmetikai tükrök, tükörfólia stb.; a tükörnek legalább olyan nagynak kell lennie, amilyen a napelemes modul). A következő kísérletekhez szükséges egy erős fényforrás, (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz. A kísérleti elrendezéshez az előzőekhez hasonlóan napelemes modul és motor szükséges. A tükör elhelyezésénél a tükrözött fényt a tükör irányzásától függően az asztalon, a falon, vagy a napelemes modulon láthatja. A tükör ne árnyékolja be a napelemes modult. Amikor a tükrözött fény a napelemes modulra eső közvetlen fényhez még hozzáadódik, figyelje meg a motort. a) A tükör elöl van, a napelemes modul alatt. A tükrözési szög változtatásával kétszeres fénymennyiség is sugározható a modulra.
47. ábra Az energiatárolás alapelve a csöpögő csap analógiája alapján: kis mennyiségek egy egész napon keresztül megtöltenek egy nagy lavórt… Egy kis teljesítményű napelemes modul egy napsütéses napon milliamperóránként (mAh) "csöpögteti" a napsugárzásból átalakított áramot az energiatárolóba. A mAh érték az óránkénti áramot fejezi ki, ellentétben a mA értékkel, amely a pillanatnyilag folyó áramot jelzi.
45. ábra Ebben a kísérletben egy tükör-csempét lehet a napelemes modul alá tenni.
A tanuló-készlet tartalmaz elkóket, amelyek áramot tudnak tárolni. A tárolókondenzátor előnye a hosszú élettartam. Az akkuval összehasonlítva azonban a tároló kapacitás csekély, aminek a kísérlet szempontjából az az előnye, hogy a tárolás alapelvét egy átlátható rövid időközben meg lehet figyelni. Az elkó kivezetőit a kísérlet előtt rövid ideig össze kell kötni (rövidre zárni), hogy a töltés működését észlelni lehessen.
Ez a kísérlet kevés fény (árnyék, felhős ég) esetén is működik. b) Két tükörrel jobb- és baloldalon, a tükröknek a modulra való jó irányozása esetén mintegy háromszoros fénymennyiség adható a modulra.
a) 50. ábra A kísérlethez az elkót ki kell cserélni.
b) 48. ábra Dugaszolós panel felépítése - használja a villogó LED-et. a) Dugja be először a kis 100 μF-os elkót (a hosszabb kivezetés a pozitív pólus). b) Azután cserélje le a 4 700 μF-os elkóra. Mi történik a csere után? A LED már nem világít, az elkók bedugása után bizonyos ideig tart, amíg a LED ismét világít vagy villog. Ha a napelemes modult letakarja, a LED tovább villog.
d) Ha az elkó töltve van, a LED villog. Ezután csíptesse le a napelemes modult. Figyelje meg, mennyi ideig villog a LED, mikor az áramot csak a tároló elkóról kapja. Minél nagyobb a tároló kondenzátor, annál hosszabban fog a LED villogni, bár nem kap áramot a napelemes modulról. Egy Gold-Cap-el a hiányzó áramellátást a napelemes modulnál (pl. sötétben) hosszabb ideig át lehet hidalni. e) Most hagyja az előbb feltöltött elkót a napelemes modulra csatlakoztatva egy éjszakán át (LED nélkül), úgy, hogy ne essen rá fény. A következő napon vizsgálja meg egy villogó LED-del, hogy mennyi töltés van még a kondenzátorban. A villogó LED kevéssé, vagy egyáltalán nem reagál. Mi történt? Az elkó a napelemes modulon keresztül "visszafelé" kisült. 16 Tárolt napenergia és mechanikus energia Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, 4 700 μF-os elkó, motor, villogó LED
Ez a kísérlet kevés fény (felhős ég) esetén is működik. Ha a motort közvetlenül összeköti a napelemes modullal, lehetséges, hogy a modulról jövő energiamennyiség nem elegendő ahhoz, hogy a motort beindítsa.
49. ábra A C1 és C2 elkók, valamint a LED-ek a kísérletekhez kicserélhetők. Gondoljon a LED-ek rákötésénél az R1 előtét ellenállásra. A kísérlet sorrendje: a) Dugja be a 100 μF-os elkót, a polaritás figyelembe vételével! Mi történik? A villogó LED rövid szünetet tart, majd újból villog. b) Dugja be a 4 700 μF-os elkót. Mi történik? A villogó LED hosszabb szünetet tart, majd újból villog. b) b) A kísérleti elrendezést hagyja a b) szerint, amíg a LED nem villog. Ezután húzza ki a 4 700 μF elkót a dugaszolós panelből. A következő lépésben árnyékolja le a napelemes modult. A LED abbahagyja a villogást. Dugja be most az elkót az előbbi érintkezősorokba, és árnyékolja le továbbra is a napelemes modult. c) c) A LED villog, bár nem jön áram a napelemes modulról. Következtetés: az "energiatároló" elkóban a töltés hosszabb időre megmarad.
51. ábra Kapcsolási rajz – alkalmazza a villogó LED-es üzemelés kijelzőként. Dugja be először a 100- μF-os elkót, majd a 4.700-μF-os elkót párhuzamosan a napelemes modul csatlakozóival. Ha a motort a kondenzátorral összeköti, a motortengely több fordulatot tesz. Bizonyos körülmények között az elkó indító segítsége elegendő ahhoz, hogy a motor a napelemes modul kis áramával tovább tudjon futni.
Az akku feszültség méréséből adódik az egyszerű akku-kijelzés Előnyös a feszültségmérést terhelés alatt végezni. A terhelés áramfogyasztása a kapacitás 10%-a kell legyen, és a mérés pillanatában egy nyomógombbal aktiválható.
52. ábra A motort ideiglenesen ugyanazokra az érintkezőkre kell kötni, mint az elkót. A motor néhány fordulatot végez, a LED nem villog tovább, és néhány másodpercig tart, amíg a LED ismét villogni kezd, ha a motort ismét lecsíptették. A motor az elkót teljesen lemerítette. 17 Napelemes energia, töltés felügyelet és tank kijelzés Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, villogó LED, piros LED, 1N4148 dióda, zöld LED, 4 700 μF elkó, ellenállás 1 k és 2,2 k, huzal-kapcsoló; kiegészítő kísérlet: akku
55. ábra Kiegészítő „teher" narancssárga LED-del vagy motorral (minta-kapcsolás) 18 Napelemes energia és visszáram zárás Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, elkó, nyomógomb, szilíciumdióda, előtét ellenállás, piros LED Ezt a kísérletet egyenletes erősségű napfénnyel (vagy íróasztal lámpával) kell elvégezni.
A következő kísérletekhez kell egy erős fényforrás (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz. Az energiatároló most üres, félig tele, vagy tele állapotban van? Ehhez egy kijelző szükséges, hasonló a kocsikban lévő üzemanyag kijelzőhöz. Az akku "tank-kijelzője" viszont sokkal komplikáltabb. Ahhoz, hogy minden tényezőt ellenőrizni lehessen, rafinált felügyelő elektronikák vannak, mikroprocesszorokkal és bonyolult szoftverrel. Az 53. ábrában látható egy egyszerű töltöttségi állapot kijelző kísérleti felépítése, amelyet a tanuló készlet tartalmából fel lehet építeni. A felső piros LED jelzi az energiatárolóhoz menő töltőáramot, és világít, amíg az elkó töltődik. A diódával összekötött középső villogó LED világítani kezd (jelez), ha az elkó (vagy egy akku) tele van töltve.
56. ábra A záródióda kapcsolási alapelve Egy elkó, Gold-cap vagy akku napelemes töltésénél a töltés a napelemes modulon keresztül ismét kisülne. Ezért egy visszáram zárat kell - egy dióda formájában - beiktatni. A dióda szelepként működik, amely az áramot csak egy irányban engedi folyni, és a másik irányban megakadályozza. Fordítsa meg egyszer a diódát a dugaszolós panelben. A LED már nem villog, mivel a napelemes modulról jövő áram le van zárva. A záródiódák megakadályozzák a tároló akku kisülését a megvilágítatlan napelemes cellán keresztül.
53. ábra Kísérleti elrendezés a dugaszolós panelen
57. ábra Dugaszolós panel felépítés, a záródióda alul balra látható.
54. ábra A töltöttségi állapot kijelző kapcsolási rajza 19 Akkuk töltése napelemes energiával
Hogy a víz-hasonlatnál maradjunk: a felfogó edénnyel – és ezzel az energiatárolóval – egy akku segítségével kísérletezünk. Az akku helyettesítheti a nem tölthető elemeket, és majdnem minden elektronikus készülékben használható.
61. ábra Kísérleti elrendezés vízbontáshoz. 58. ábra Sok hordozható elektronikus készülékhez a mikro- és ceruzaakkuk jól használhatók. Kísérleti elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, ellenállás, LED, kiegészítésként egy akku A következő kísérletekhez kell egy erős fényforrás (vagy erős, közvetlen napfény) a napelemes modulhoz. A töltés legegyszerűbb módja a töltés állandó árammal. Az akkut meghatározott időtartamig meghatározott árammal töltik. Egy akku egyszerű állandó áramú töltésénél a szokásos gyakorlat a kapacitás adat áramának 1/10-ével való töltés 14 órán keresztül. A töltőáram határolást egyszerű hálózati töltőkészülékeknél egy ellenállás oldja meg, amely a hálózati adapter és az akku közé van kapcsolva. Napelemes töltőknél azonban ez az eljárás nem volna észszerű. Itt a töltőáram veszteség nélkül, a napelemes cellák vagy modul dimenzionálásával (méret) biztosítható. A napelemes modul megfelelő méretezése esetén még előtét ellenállás sem szükséges. A tanuló készletben lévő napelemes modul, amely teljes napfénynél 35 mA áramot ad, veszélytelenül tölthet egy akkucellát. Ez az arány változik a "nagyobb" (jobb teljesítményű) napelemes moduloknál, amelyek több áramot tudnak adni. Töltőáram határolás, vagy töltő elektronika azonban
okvetlenül szükséges, különben az akku tönkremenne.
62. ábra: Vízbontó áramkör alapkapcsolás, napelemes modullal és elektródokkal. Kísérleti elrendezés: egy csésze vízzel, némi nátronnal vagy konyhasóval. A tiszta víz nagyon rosszul vezeti az áramot. Ha a vízhez nátront adnak hozzá, az elektromos felbontásnál oxigén és hidrogén keletkezik. Ha konyhasót használunk, oxigén és klórgáz keletkezik. Elektródként két kb. 5 cm-es huzal használható, amelyek végei 2 cm-en le vannak csupaszolva. a) Helyezze el a huzalok csupasz végeit a folyadék felső szintje alatt függőlegesen maximális távolságban egymástól, és rögzítse őket ruhacsipeszekkel a víztartályon. A két elektródként működő huzallal egyenáram vezethető a folyadékba. (A reakció során az elektródokon a folyadékban levő anyagokból származó termékek jelennek meg.) b) Kösse a huzal-elektródokat a napelemes modulra. Amikor a napelemes modulra napsugárzás esik, látni lehet, hogy a folyadékban levő két huzalvéghez buborékok gyűlnek – a mínusz pólusnál mintegy kétszer annyi, mint a plusz pólusnál. c) Egy sorosan beiktatott LED jelzi, hogy áram folyik. Mivel az áram igen csekély, a LED gyenge fénye csak többé-kevésbé vehető észre.
59. ábra Egyszerű napelemes töltő kapcsolási rajza és felépítése; a dióda be van kötve, hogy az akku éjjel ne süljön ki a napelemes modulon keresztül.
63. ábra Az áramfolyás jelzésére egy LED-et iktatunk be az áramkörbe. A kiegészítő C1 elkó a kapcsolás működéséhez nem okvetlenül szükséges, de stabilizálja a funkciót.
60. ábra Dugaszolós panel felépítése: töltőáram kijelzés egy LED-del (egyúttal kisütés védelemként is szolgál) 20 Kémiai eljárások napelemes energiával A kísérlet elrendezés: napelemes modul, dugaszolós panel, csésze, víz, nátron vagy konyhasó, piros LED, 4 700 μF-os elkó. Ez a kísérlet végezhető kevesebb fénnyel (felhős ég) is, a látható reakció a vízben teljes napfényben vagy erős fényforrásnál nagyobb.
