NAPELEMES ENERGIAELLÁTÓ RENDSZEREK KATONAI CÉLÚ ALKALMAZÁSÁNAK KÉRDÉSEI

ZRÍNYI MIKLÓS NEMZETVÉDELMI EGYETEM

Dr. techn. Turmezei Péter

NAPELEMES ENERGIAELLÁTÓ RENDSZEREK KATONAI CÉLÚ ALKALMAZÁSÁNAK KÉRDÉSEI Doktori (PhD) értekezés

Témavezető: Dr. Zsigmond Gyula PhD

- Budapest, 2003 -

2 Tartalomjegyzék TARTALOMJEGYZÉK............................................................................................................... 2 BEVEZETÉS................................................................................................................................ 3 1 A NAPELEMEK MŰKÖDÉSÉNEK FIZIKAI ALAPJAI....................................................... 6 1.1 A Nap mint energiaforrás.................................................................................................. 6 1.1.1 A napsugárzás geometriája..................................................................................... 8 1.1.2 A napsugárzás fizikai jellemzői............................................................................ 11 1.2 Az energiakonverzió hatásfoka....................................................................................... 15 2 A NAPELEMEK TECHNOLÓGIAI KÉRDÉSEI.................................................................. 22 2.1 A félvezető napelem....................................................................................................... 22 2.2 A napelem hatásfokát befolyásoló tényezők................................................................... 26 2.3 Napelemmodulok............................................................................................................ 30 2.4 A napelem tokozása........................................................................................................ 34 2.5 Napelemek minőségellenőrzése és megbízhatóságvizsgálata......................................... 37 2.5.1 Általános kérdések................................................................................................. 37 2.5.2 Napelemek hibamechanizmusai............................................................................ 38 2.5.3 Napelemek vizsgálatai........................................................................................... 40 2.6 Katonai szempontból releváns technológiák.................................................................. 44 2.6.1 Földi rendszerek (kristályos szilícium, nagyhatásfokú bipoláris eszközök........................................................................ 44 2.6.2 Amorf szilícium napelem...................................................................................... 48 2.6.3 Kozmikus rendszerek (GaAs alapú heteroátmenetes igen nagy hatásfokú eszközök)............................................................................. 52 2.6.4 A napelemkészítés egyes technológiai kérdései (epitaxia, diffúziós úthossz, rétegparaméterek).................................................... 56 2.7 Fotoelektrokémiai napelemek......................................................................................... 60 2.8 Következtetések.............................................................................................................. 65 3 A NAPELEMEK KATONAI ALKALMAZÁSAI................................................................. 66 3.1 Telepítés és energiatárolás.............................................................................................. 66 3.2 Alegységek napelemes energiaellátása........................................................................... 71 3.3 Járműkövető rendszer működtetése napelemes táplálással............................................. 75 3.3.1 Kiindulási feltételek a napelem alkalmazásában................................................... 76 3.3.2 Tápfeszültség-ellátás és védelem...........................................................................77 3.4 Napelemes repülőgép...................................................................................................... 79 3.5 Harcászati pilóta nélküli repülő eszközök.......................................................................86 3.6 Napelemes léghajók........................................................................................................ 91 3.7 Napelemről üzemeltetett meteorológiai állomás............................................................. 94 3.8 A napelem oktatási kérdései............................................................................................97 4 ÖSSZEFOGLALÁS...............................................................................................................101 SZAKIRODALOM....................................................................................................................107 PUBLIKÁCIÓK.........................................................................................................................110 MELLÉKLETEK.......................................................................................................................112 1. Melléklet: Jelölések, rövidítések..................................................................................... 112 2. Melléklet: Sugárzás- és fénytechnikai mennyiségek és egységeik................................. 114 3. Melléklet: A Dunasolar DS40 napelemmodul jellemzői................................................ 115 4. Melléklet: A Magyar Honvédség rádiótenderében az akkumulátorokkal és akkumulátor-töltőkkel szemben támasztott követelmények.................... 118 5. Melléklet: Szilícium napelemek vizsgálatai....................................................................120

3

Bevezetés A XX. század 90-es éveiben a haderők alkalmazásában paradigmaváltásra került sor. A tömeghadseregeket fokozatosan professzionális, feladatorientált haderők váltják fel, amelyekben meghatározó az informatika és az elektronikai eszközök mindenre kiterjedő alkalmazása.

A

tevékenységekre

katonai

műveletekben

alapozott

elgondolás,

előtérbe az

került

alegység

és

az az

alegység egyes

szintű katonák

tevékenységének komplex technikai biztosítása, ezen belül személyi számítógépek, személyi híradó-, kommunikációs-, felderítő-, helyzet-meghatározó, éjjellátó eszközök alkalmazása. A korszerű haderőben jelentősen megváltozott három – egymással korrelációban lévő – összetevő: a fajlagos energia felhasználási ráta, a kommunikációs képesség és a személyi elektronikai eszközökkel való ellátottság minőségi követelménye. Prognózisok szerint a Magyar Honvédség 2010-ig éri el a jelenlegi mutatók 2…. 5-szörösét jelentő NATO-szinteket. A technikai fejlesztés megoldandó alapkérdésének az eszközök folyamatos működését lehetővé tevő (táp)energia biztosítása tekinthető. A Magyar Honvédség mozgástere a békefenntartó és béketeremtő tevékenységgel kiszélesedett. Ezekben a műveletekben – Magyarországtól földrajzilag távol eső területeken – bizonytalan, gyakran elérhetetlen villamos hálózatok és költséges, akadozó üzemanyag-ellátás mellett megoldhatatlan a feladatok effektív végrehajtása. Ugyanakkor mindenütt rendelkezésünkre áll egy – az előzőektől teljesen független - megújuló energiaforrás, a Nap. Bár a napenergia katonai hasznosítása a pun-háborúkig nyúlik vissza, az ezt követő évszázadok során a napsugárzást lényegében csak közvetlen melegítésre használták. A Napnak, mint megújuló energiaforrásnak felhasználása a XX. század ötvenes éveitől kezdődően egyre nagyobb mértékben terjed; az erre vonatkozó intenzív kutatásokat az 1973-as olajválság indította el és az 1983-ban meghirdetett Csillagháborús-program (Strategic Defense Initiative) terjesztette ki. A Nap-energia katonai alkalmazása az Öböl-háborúban és egyes helyi háborúkban széleskörűen megvalósult.

4 A

honvédségnél

rendszeresített

komplex

villamos

rendszereket

üzemeltető

villamosmérnök-tisztek számára különösen fontos a kezelői és karbantartói ismereteken túlmenően a berendezések működési elveinek, alkalmazásuk lehetőségeinek-, ezek elvi és gyakorlati korlátainak megismerése. Ebből következik, hogy a villamosmérnöktiszteket a megfelelő szakmai ismereteket feltételező feladatok elvégzésére már a főiskolai oktatás során fel kell készíteni, ehhez a képzésen belül szükséges olyan tananyagot kialakítani, amellyel a fenti oktatási célok elérhetőek. Mindezeket figyelembe véve 1992-től kezdődően kutatom a napsugárzás magyarországi alkalmazásának lehetőségeit. Az értekezés céljaként - kutatási területemet leszűkítve - a Napnak, mint megújuló energiaforrásnak, a katonai alkalmazását, ezen belül a napelemek fizikai működésének vizsgálatát fogalmaztam meg. Egy napelem katonai alkalmazhatóságát - geometriai méretek, szállíthatóság, sebezhetőség, megbízhatóság - alapvetően a napelem hatásfoka determinálja, ezért kutatásaimban kiemelten foglalkoztam a napelemek hatásfokának meghatározásával és a hatásfok növelésének lehetőségeivel. Kutató munkám célja: •

A feketesugárzóval megvilágított egy- és többrétegű ideális napelem elméleti maximális energiakonverziós hatásfokának meghatározása a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében

•

A szakirodalomban alkalmazottnál egyszerűbb összefüggés felírása a félvezető napelem hatásfokának az anyagi tulajdonságoktól való függésére

•

Az elektrokémiai napelemek félvezető-elektrolit átmenetére fizikai tartalommal rendelkező elektromos helyettesítő kép meghatározása

•

Alegységek elektromos hálózattól független energiaellátásának megoldása napelemek segítségével

•

Javaslat – elsősorban a katonai felsőoktatás vonatkozásában – olyan tananyag

kidolgozásra,

amely

elősegíti

a

napelemek

sikeres

alkalmazásához szükséges ismeretek elsajátítását, illetve szemléletmód kialakítását.

5 A kutatás során végzett munkám elsősorban alkalmazott kutatás, amelyben felhasználásra kerültek a szilárdtestfizika elméleti összefüggései és gyakorlati eredményei, a matematikai analízis eljárásai, valamint a numerikus- és hálózati analízis módszerei. Kutatásaim kiindulási feltételei a következők: •

Feltételeztem, hogy a Föld felszínén a Nap sugárzásának színképéhez energiaátalakítás szempontjából jól közelíthető a feketetest sugárzásának színképe

•

Feltételeztem,

hogy

a

napelemkészítéshez

használt

félvezetők

adalékkoncentrációja megegyező nagyságrendű a más célú félvezetők adalékolásával •

Feltételeztem, hogy az elektrokémiai napelem félvezető – elektrolit átmenete elektromos szempontból RC tagokkal modellezhető.

Kutatásaimban azokból a tapasztalatokból indultam ki, amelyek egyrészt másfél évtizedes kutatóintézeti munkám folyamán a katonai berendezések fejlesztésekor halmozódtak fel, másrészt amelyeket a rákövetkező újabb másfél évtizedben a polgári és katonai felsőoktatásban végzett oktatói és oktatásfejlesztési tevékenységem során szereztem. Az értekezés négy fejezetre tagozódik. Az első fejezet a napelemek működésének fizikai alapjaival, a napsugárzás geofizikai jellemzőivel és az energiakonverzió kérdéseivel foglalkozik. A második fejezet a napelemek felépítését, gyártásuk technológiáját, a modellek felállítását és a modellvizsgálatokat mutatja be. A harmadik fejezet a napelemek katonai alkalmazását tárgyalja. A negyedik fejezet a kutatási eredmények összefoglalását és a vizsgálati eljárások alkalmazására vonatkozó ajánlásokat tartalmazza.

6

1 1.1

A napelemek működésének fizikai alapjai A Nap mint energiaforrás

A földi élet szempontjából különleges fontossága van az égitestek közül a Napnak. Sugárzása tartja fenn Földünkön az életet, a Föld felületén és légkörében minden energia, így a hő, a mozgás, továbbá minden változás, fejlődés végső soron teljesen a Napból származik. A napsugarak Földünket érő óriási mennyiségéből tekintélyes rész újból kisugárzódik a világűrbe: a bent maradó sugárzást azonban a természet a fizika és a biológia törvényei szerint hasznosítja. A Nap felépítésének, energia-kibocsátásának és sugárzási jellemzőinek vizsgálata napjainkban már nemcsak a csillagászok számára fontos, hanem egyre inkább az energiát termelő iparágak számára is. A Nap nagy fúziós reaktorhoz hasonlítható, amelyben hidrogén alakul át héliummá. A Nap fő tömegében plazma állapotú ionizált gázokból és szabad elektronokból áll. A különböző hőmérsékletű, nyomású és sűrűségű gáztömegek néhány fizikailag jól elhatárolható koncentrikus héjba tömörülten alkotják magát az égitestet. A Napnak az a rétege, amely szabad szemmel vagy távcsővel látható, legfeljebb néhány száz km vastagságú, és ez bocsátja ki a Földet is elérő sugarak mintegy 99 %-át. Ezt a réteget fotoszférának nevezik. A Nap belsejében lejátszódó folyamatokról csak az elvégzett fizikai-kémiai számítások alapján lehet képet alkotni. A sűrűség és a nyomás az égitest középpontja felé haladva fokozatosan nő. A

fotoszféra

felett

még

két

további,

fizikailag

lényegesen

eltérő

réteget

különböztethetünk meg: a több ezer km vastag, körgyűrű keresztmetszetű kromoszférát, és az ezt körülvevő, sok napátmérő távolságra kiterjedő, alakját változtató koronát. A fotoszférából kilépő és globálisan állandó erősségűnek ismert elektromágneses sugárzás egyszerűen a fotoszférát alkotó gáz nagy hőmérsékletének következménye, vagyis termikus eredetű, és így elvileg spektruma (színképe) a távoli ultraibolyától a távoli infravörösig helyezkedik el. A kisugárzott energia döntő hányada a 200 nm és az 5600 nm hullámhosszak által határolt tartományba esik. A 200 nm-nél rövidebb, és az 5600 nm-nél hosszabb hullámú tartományokba a kisugárzott energiának mintegy 1 %-a jut. Az intenzitás maximuma a látható spektrumba eső zöldeskék szín hullámhosszának (475 nm) környezetében van. A Nap spektruma tehát jól közelíthető az 5800 K

7 hőmérsékletű

fekete

test

hőmérsékleti

sugárzásának

spektrumával.

Érdemes

megjegyezni, hogy az emberi szemérzékenységi görbe – a V(λ) láthatósági függvény – ehhez közeli hullámhossznál: 555 nm-nél mutatja maximumát világosságra adaptált szem esetén. Ez a körülmény az ember környezethez való alkalmazkodóképességét igazolja! A valóságos színkép azonban nem ilyen egyszerű, a földi légkör bizonyos sugárzási sávokat, hullámhossz-tartományokat elnyel, abszorbeál. A 1.1.1. ábra a napsugárzás intenzitásának spektrális eloszlását szemlélteti légköri abszorpció nélkül és a légköri abszorpció figyelembe vételével. A spektrumok merőleges beesés és tiszta égbolt esetére vonatkoznak.

1.1.1. ábra. A napsugárzás energiaeloszlása A Nap az elektromágneses sugárzáson kívül részecske-sugarat is kibocsát, amely nagyrészt gyors mozgású, elektromos töltéssel rendelkező elemi részekből és ionokból áll. A napenergia hasznosítása szempontjából a részecske-sugárzásnak nincs jelentősége. A Nap luminozitása, azaz a kisugárzott összteljesítménye L~ = 3.84·1026 W. Átlagos Nap-Föld távolsággal számolva a légkör tetején a kisugárzott felületi teljesítmény 1350 W/m2. Ezt az értéket a műholdak segítségével határozták meg.

8 1.1.1

A napsugárzás geometriája

Az égitestek mozgását az éggömb segítségével írhatjuk le. Az éggömb tetszőleges sugarú képzeletbeli gömb, amelynek a középpontja egybeesik a Föld középpontjával. A megfigyelő az éggömbre kivetítve látja a vizsgált égi objektumot. A Nap látszólagos mozgását az égbolton a horizontális koordinátarendszerben írhatjuk le. Az észlelési helyünknek a függőlegese az éggömböt felfelé a Zenit, lefelé a Nadír pontban metszi. A Zenit-Nadír vonalra merőleges, a Föld középpontján átmenő sík az éggömböt a valódi horizontban metszi. A Zenit-Nadír tengelyen átmenő és a valódi horizont síkjára merőleges főkörök a vertikálisok. A horizont északi és déli pontján átmenő vertikális a fő vertikális. A fő vertikális és a Napon átmenő vertikális közötti szög a Nap azimutja. A Föld középpontjából a Naphoz húzott sugár és a horizont között mérhető szög a Nap magassága. A Nap azimutja és magassága egyértelműen megadja a Nap helyzetét.

1.1.2. ábra. A Nap látszólagos mozgása az égbolton A napéjegyenlőség napján (márc. 21. ill. szept. 23.) deleléskor a nap magassága 90º-φ, ahol φ a megfigyelő földrajzi szélessége. Budapest földrajzi szélességén (φ = 47.5º) ez a magasság 42.5º, az év leghosszabb napján, június 21-én ez az érték 23.5º-kal nagyobb (23.5º az ekliptika normálisa és a Föld forgástengelye által bezárt szög), azaz 66º, az év legrövidebb napján, december 21-én pedig 42.5º-23.5º = 19º a delelési magasság. (1.1.2. ábra). A 1.1.3. ábra segítségével a Nap mindenkori helyzetét határozhatjuk meg. A megfigyelő az északi szélesség 47º-nál helyezkedik el, a feltüntetett idő a helyi idő (nem zónaidő).

9

1.1.3. ábra. A nappálya-diagram A külső kör fokbeosztásán a Nap azimutja, a koncentrikus körökön a Nap magassága határozható meg. A megfigyelő a koncentrikus körök középpontjában helyezkedik el. A dátummal paraméterezett ívek a Nap egynapi pályájának a nyomvonalai. Ha 183 db. ívet rajzolnánk, akkor az év minden napján nyomon követhetnénk a Nap mozgását. Az órával paraméterezett ívek a napon belül az azonos órákat kötik össze. Az ábra segítségével az év bármely napjának bármely órájában meghatározhatjuk a Nap koordinátáit. A rajz nem veszi figyelembe a Nap mozgásának egyenetlenségeit, az eltérés +14 -16 perc, de a napelemek beállításánál ez elhanyagolható. A nap mozgását ismerve tudjuk azt, hogy milyen irányból érkezik a napsugárzás, de nem kapunk választ arra a kérdésre, hogy mekkora az intenzitása. Mint már utaltunk rá (1.1.1. ábra), a légkörön áthatolva a Föld felszínére érkező napsugárzás csillapítást szenved el. A légkör csillapítása a frekvencia függvényében nem állandó, a spektrumban az ultraibolya és a látható tartományban a levegőben lévő ózon, az infravörös tartományban pedig az oxigén, a szén-dioxid és a vízgőz abszorpciója miatt észlelhető jelentősebb csillapítás. Ez a nagyobb csillapítás csak

10 szűkebb frekvenciasávban mérhető, az energiakonverziót érdemben nem befolyásolja, ezért a továbbiakban a földfelszínen is a feketesugárzó spektrumával számolunk. A csillapítás mértéke függ attól, hogy milyen vastag légrétegen kell a napsugárnak áthatolnia. A csillapítás mértékének a jellemzésére elterjedt az AMm (Air Mass) fogalmának a használata. Az AM0 a légkör által még nem csillapított napsugárzást jelöli. Az AM1 a tiszta időben, tengerszinten a földfelszínt merőlegesen érő napsugárzás jellemzője. Szakirodalmi források szerint AM1 = 925 W/m2, hazai mérések szerint az AM1 kisugárzott felületi teljesítmény elérheti az 1000 W/m2 értéket. Ferdén beeső napsugárzás az AM0-hoz képest az út meghosszabbodásával arányos csillapítást szenved,

ez

az

úthosszabbodás

közelítően

m = cos-1Θ =

= sec Θ-szeres, ahol Θ a beeső sugár és a felület normálisa által bezárt szög. Ha Θ = 48.2º, úgy sec Θ = 1.5, a sugárzás AM1.5. Magyarországon tiszta időben, tavasszal és ősszel kb. 840 W/m2 értékkel számolhatunk.

1.1.4. ábra. Az év napsütéses óráinak a száma Magyarországon A ténylegesen mérhető intenzitás nagymértékben függ a meteorológiai viszonyoktól. A 1.1.4. ábra a hazánkban várható éves napsütéses órák számát mutatja. Részletes statisztikai adatok nem állnak rendelkezésre, az energiatermelés szempontjából átlagosan évi 1200 kWh/m2 értékkel számolhatunk.

11 A napenergia közvetlen felhasználása az emberiség régi vágya. Valójában a Naptól származott az a fosszilis energia is, amit ma szén, földgáz és kőolaj formájában hasznosítunk, ezek égéstermékei azonban jelentősen szennyezik a környezetet, mennyiségük véges, és pár évtized múltán már eltűnőben lesznek. A napenergia tényleges felhasználásán pontosabban azt értjük, hogy a Nap által a Földet folyamatosan besugárzó elektromágneses sugárzási energiát

felfogni, átalakítani, tárolni, majd

kívánság szerint bármikor hasznosítani tudjuk. A legegyszerűbb energiahasznosítást a napkollektorok teszik lehetővé, amelyek a Nap hőenergiáját valamilyen anyag (általában víz) felmelegítése révén gyűjtik össze. Számos napkollektor-konstrukció ismeretes, ezek megvalósítása ma már a műszaki tudományok külön ágát képezi. Megjegyezzük, hogy a legtöbb napkollektor-megoldást lakások, egyéb helyiségek vagy speciális berendezések fűtésére alkalmazzák. Műszaki szempontból kevésbé jelentős a napenergia kémiai vagy biológiai hatásának alkalmazása, a legígéretesebbnek azonban a fotoelektromos hatás kiaknázása tűnik. A napelemek azok az eszközök, amelyek a Nap sugárzási energiáját a fotoelektromos hatás révén elektromos energiává alakítják át. Mint ismeretes, az elektromos energia az az energiafajta, ami a legjobb hatásfokkal hasznosítható, tárolható és alakítható át. 1.1.2

A napsugárzás fizikai jellemzői

Az elektromágneses sugárzásban – mint elsőként Maxwell kimutatta – energia tovaterjedéséről van szó, a sugárzás egységes mértékéül a sugárzás által szállított energiát választották. A sugárzási energia kifejezhető mechanikai egységben, azaz joule-ban, és ebből mint alapmennyiségből származtathatók az egyéb sugárzási jellemzők. A sugárforrás és a sugárzást felfogó tárgy közötti energiaátadási viszonyok függnek a sugárforrás és a céltárgy helyzetétől, geometriai tényezőitől, valamint a sugárzófelület és a felfogó felület nagyságától és távolságától. A legtöbb sugárforrás sugárzási erőssége irányfüggő. A sugárzás irányfüggésének meghatározása szempontjából alapvető jelentősége van a térszögnek.

12 A térszög vagy térnyílás a térnek azon része, amelyet egy pontból kiinduló, az illető pontot egy zárt görbe összes pontjaival összekötő félegyenesek határolnak. A térszög ennek a görbének az említett pontokból való látószöget adja meg. A térszög mértéke a szteradián (sr). A teljes körkerülethez tartozó 360º-os szögnek 2π radián felel meg, míg a teljes térszög nagysága 4π szteradián. A fényforrás által kisugárzott teljes energiát, tehát az elektromágneses sugárzás által hordozott sugárzott energiát Qe-vel jelöljük, és joule-ban adjuk meg. Ennek idő szerinti deriváltja az időegység alatt kisugárzott energia, ezért a Φe sugárzott teljesítmény: Φe =

dQe dt

[W]

amelyet luminozitásnak is neveznek és wattban fejeznek ki. A sugárzás irányfüggésének jellemzésére az egységnyi térszögbe kisugárzott teljesítményt adják meg, amelyet sugárerősségnek (intenzitásnak) neveznek. A sugárerősség mértékegysége W·sr –1. Az egységnyi felület által a teljes térszögbe emittált sugárzást kisugárzott felületi teljesítménynek (Me) nevezzük, ennek mértékegysége W·m –2. A sugárzástechnikai egységek külön részét alkotják azok az alapmennyiségek, amelyek a céltárgy besugárzottságára vonatkoznak. A besugárzott felületi teljesítmény a céltárgy felületelemére eső sugárzott teljesítmények és e felületelemnek a hányadosa, jele Ee és mértékegysége W·m–2. A besugárzottság jelenti a besugárzott energia felületi sűrűségét, jele He és mértékegysége Ws·m–2. A fényérzékelők, mint pl. a fotocellák, fotodiódák vagy fényelemek a legtöbb esetben az emberi szem számára érzékelhető elektromágneses hullámhossztartományt –a fényt – detektálják, mérik vagy alakítják át. Az ilyen, ún. fotometriai vizsgálatoknál alkalmazott mértékrendszer a vizuális érzékelésen alapul, ezért a mérendő fényt valamilyen ismert sugárzó

fényével

hasonlítják

össze,

és

az

emberi

szem

számára

azonos

fényerősségérzetet keltő sugárzásokat tekintik egyenlőnek. A fotometria nemzetközileg elfogadott, SI alapegysége a kandela (cd), amely a fényerősség mértékegysége. Minden

13 más egységet ebből származtatnak. A fotometriai egységeket összefoglalóan fénytechnikai egységeknek is nevezzük. A kandela az olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely 540·1012 Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W·sr-1. A fényáram a teljes térszögbe emittált fényteljesítménynek felel meg. A fényáram mértékegysége a lumen (lm), amely a kandela és a szteradián szorzatával fejezhető ki (1 lm = 1 cd·1 sr). A sugárzástechnika egységek mindegyikéhez fotometriai jellemzők is rendelhetők. Ezek elnevezését és mértékegységeit a 2.sz. mellékletben található táblázat tünteti fel. Megjegyezzük, hogy a szakirodalomban számos egyéb fotometriai egység is szerepel, mint pl. a foot-candela, phot, lambert, stb., ezek azonban nem felelnek meg az SI egységrendszernek, és ma már hivatalosan nem használatosak. A sugárzástechnikai és a fotometriai egységek között az emberi szem fényérzékenységi görbéje teremt kapcsolatot. Az átlagos emberi szemre vonatkozó spektrális érzékenység-függvényt, az ún. láthatósági függvényt – a V(λ) függvényt – a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (C.I.E.) szabványosította. A világosságra adaptált láthatósági függvényt a 1.1.5. ábra szemlélteti:

1.1.5. ábra. Az átlagos emberi szemre vonatkozó láthatósági függvény A sugárzástechnikai és a fotometriai egységek közötti átszámítást a láthatósági függvény alapján meghatározható Km arányossági tényező segítségével végezhetjük el.

14 A tudományos számítások alapján a Km arányossági tényezőt, az ún. maximális spektrális fényhasznosítást a Km = 683 lm·W-1 értéknek veszik. Mint az 1.1. táblázatból látható, valamennyi sugárzástechnikai egység visszavezethető W-ra, ill. valamennyi fotometriai egység lm-ra: a Km ismeretében tehát az átszámítás minden mennyiségre elvégezhető. A maximális spektrális fényhasznosítás, a Km = 683 lm·W-1 érték önmagában a V(λ) görbe maximumán, tehát 555 nm-en alkalmazható. A teljes látható tartományra ∞

d Φ e (λ ) v(λ )dλ képlettel számítható. dλ 0

vonatkozó fényáram a Φ=Km ∫

15 1.2

Az energiakonverzió hatásfoka

A napelem az abszorbeált fotonok energiáját konvertálja elektromos energiává. A Nap sugárzását feketesugárzással közelítve a spektrális energiasűrűség-függvényt a Plancktörvény írja le: u(ν , T ) =

2h ν 3 c 3 e hkTν −1

(1.2.1.)

Figyelembe véve, hogy egy foton energiája Wp = hυ, felírható a napelem felületére beeső fotonáramsűrűség sűrűségfüggvénye a fotonenergia függvényében: Wp 2

N(Wp) = K e

Wp kT

(1.2.2.)

−1

ahol a K tényező tartalmazza a konstansokon túl a légkör csillapítását is. Ezzel a napelem egységnyi felületére beeső teljesítmény (besugárzott felületi teljesítmény): ∞

Ee =

∫W

p

N (Wp) dWp

(1.2.3.)

0

A légkör csillapítása nem egyenletes a fotonok energiájának a függvényében, így a fotonáramsűrűség függvénye eltér a fekete test által kisugárzottól (1.2.1. ábra)

1.2.1. ábra. A napsugárzás fotonsűrűsége a fotonenergia függvényében Az eltérés az energiakonverzió szempontjából nem jelentős, ezért a továbbiakban az egyenlettel leírható feketesugárzó spektrumával számolok. A napelemek energiakonverziójában azok a fotonok vesznek részt, amelyeknek az energiája nagyobb vagy egyenlő, mint a tiltott sáv szélessége. Egy abszorbeálódó foton egy elektron-lyuk párt hoz létre, ez a pár azonban csak egy elektronnyi töltéssel járul hozzá a napelem áramához. Ha egyetlen töltéshordozó pár sem vész kárba, azaz nem

16 rekombinálódik idő előtt, akkor a napelem elméleti maximális áramsűrűségére adott Wg mellett a következő összefüggés adható meg: ∞ J= q

∫ N (W )dW p

p

(1.2.4.)

Wg

ahol az integrál a felületegységre időegység alatt beeső, Wg -nél nagyobb energiájú fotonok számát adja, míg q az elektron töltése. A fenti összefüggést mutatja a 1.2.2. ábra:

1.2.2. ábra. A maximális áramsűrűség a tiltottsáv-szélesség függvényében Az abszorbeálódó fotonok pontosan annyi energiát tudnak közölni egy elektronnal, hogy azt a vegyértéksávból a vezetési sávba emeljék, azaz a tiltott sáv szélességével megegyező energiát. A foton többletenergiája hővé alakul. Ha a foton energiája kisebb, mint a tiltott sáv szélessége, akkor a teljes energiája hővé alakul, nem keletkezik elektromos teljesítmény. Így az egységnyi felületre beeső teljesítményből ∞

pe = Wg ∫ N (Wp) dWp

(1.2.5.)

Wg

alakul át elektromos teljesítménnyé. Ezzel a fényteljesítmény-elektromos teljesítmény átalakítás hatásfoka: ∞

Wg ∫ N (Wp) dWp

η=

Wg

(1.2.6.)

∞

∫W

p

N (Wp) dWp

0

Ez a hatásfok nem a napelem által leadott elektromos teljesítményre vonatkozik, hanem a napelemben keletkezett elektromos teljesítményre. Adott hőmérsékletű sugárzó esetén

17 ezért a hatásfok a félvezető tiltott sávszélességének a függvénye. Ha Wg kicsi, akkor ugyan viszonylag sok foton tud elektron-lyuk párt kelteni, a napelem rövidzárási árama nagy lesz, de a napelem üresjárási feszültsége viszonylag alacsony értéket ad. Megfordítva: nagy tiltottsáv-szélességű félvezetőt választva nagy üresjárási feszültséget mérhetünk, de a cella rövidzárási árama kicsi lesz. A konverziós hatásfoknak Wg függvényében maximuma ott van, ahol

∂η = 0. A (1.2.6.) egyenlet feketesugárzó ∂Wg

esetén ugyan felírható zárt formában, de már ennek a számlálója is négy tagból áll, amelyből kettő a Nielsen féle általános polilogaritmus függvény. Még a derivált is megadható zárt kifejezéssel, de a szélsőértékszámítás eredménye már nem. Ezért a maximumszámítást numerikusan végeztem el a feketesugárzó különböző hőmérséklete mellett. A program írásánál a Newton módszert választottam a szélsőérték kiszámítására. Az eredményeket mutatják a következő ábrák:

1.2.3. ábra. Az optimális tiltottsáv-szélesség a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében A nagyobb hőmérsékletű feketesugárzó energiasűrűség-függvényének a maximuma a nagyobb energiájú fotonok felé tolódik el, ezért nagyobb hőmérsékleten nagyobb tiltottsáv-szélességű félvezetőt kell alkalmazni a maximális hatásfok eléréséhez. Az összefüggést a 1.2.3. ábra mutatja. Az optimális tiltottsávszélesség-sugárzóhőmérséklet közötti kapcsolat lineáris, az egyenes átmegy az origón. Az egyenes egyenlete: Wg opt = 187·10-6

eV T K

(1.2.7.)

amelybe a hőmérsékletet Kelvinben kell behelyettesíteni, az eredményt elektronvoltban kapjuk. A sugárzó hőmérsékletéhez illeszkedő optimális tiltottsávszélesség esetén az elméleti maximális hatásfok független a sugárzó hőmérsékletétől: ηmax = 43.88 %.

18 A hatásfok természetesen csökken, ha eltérünk ettől az állapottól. A 1.2.4. ábra egy 1.1 eV tiltottsáv-szélességű anyagból (pl. szilícium) készült napelem maximális hatásfokát mutatja a sugárzó-hőmérséklet függvényében:

1.2.4. ábra. A konverzió maximális hatásfoka a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében A 1.2.3. ábra görbéjéről leolvasható, hogy az 1.1 eV sávszélességű napelem valamivel a 6000 K sugárzó-hőmérséklet alatt nyújtja a maximális hatásfokot. A 1.2.4. ábra ezzel összhangban van, 6000 K sugárzó-hőmérsékleten leolvasható a 43.88%-os hatásfok, ettől eltérő hőmérsékleten az elérhető hatásfok lecsökken, 4000 K-nél már nem éri el a 40%-ot. A 1.2.5. ábra az optimális tiltottsáv-szélességtől való eltérés hatását mutatja 5800 K hőmérsékletű feketesugárzóval világítva meg a napelemet. A görbe meredeksége a keskenyebb tiltottsáv felé nagyobb, azaz az optimálisnál szélesebb tiltottsávot választva az elérhető hatásfok kevésbé csökken, mintha az optimálisnál szűkebbre vennénk. A maximális hatásfok a 0.5-2.0 eV tiltottsáv-szélesség tartományban 30% fölött marad.

1.2.5. ábra. Napelemcella elméleti maximális hatásfoka a tiltottsáv-szélesség függvényében

19 Az elérhető hatásfokot növelhetjük az ún. heterogén átmenetes vagy röviden heteroátmenetes napelemcellákkal. Ez a cella több, különböző tiltottsáv-szélességű félvezetőből van kialakítva úgy, hogy a beeső fotonok először a nagyobb Wg2 tiltottsávszélességű félvezetőnek adhatják át energiájukat, majd a nem abszorbeálódó kisebb energiájú fotonokat a mélyebben fekvő, kisebb Wg1 tiltottsáv-szélességű félvezető nyeli el. Kétrétegű heteroátmenetes cella maximális hatásfoka így: Wg 2 ∞ Wg1 ∫ N (W ) dW + Wg 2 ∫ N (W ) dW Wg1 Wg 2 η max = ∞ ∫ W N (W ) dW 0

(1.2.8.)

Az egyrétegű cellához hasonlóan ezt a kifejezést is optimalizáltam numerikusan Wg1-re és Wg2-re a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében, az általm írt program grádiens módszer segítségével számítja ki a szélsőértéket. Az eredményt a 1.2.6. ábra mutatja:

1.2.6. ábra. Az optimális tiltottsáv-szélességek a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében kétrétegű heteroátmenet esetén A két egyenes egyenlete: Wg1 opt = 1.31·10-4

eV eV T és Wg2 opt = 2.82·10-4 T K K

(1.2.9.)

Az elméleti maximális hatásfok ebben az esetben is független a feketesugárzó hőmérsékletétől, az értéke ηmax = 60.38 %1. Például egy T = 5000 K hőmérsékletű feketesugárzó esetén az optimális tiltottsávszélességek Wg1 = 0.66 eV és Wg2 = 1.41 eV. Ez a két érték jól megfelel a germánium (Wg = 0.67 eV) és a GaAs (Wg = 1.4 eV) tiltottsáv-szélességének. Ez utóbbi két

20 tiltottsáv-szélességű napelem maximális hatásfokának a sugárzóhőmérséklettől való függését mutatja a 1.2.7. ábra:

1.2.7. ábra. Kétrétegű heteroátmetes napelemcella elméleti maximális hatásfoka a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében Bár a Nap színképe az 5800 K hőmérsékletű feketesugárzó színképének felel meg, a 1.2.7. ábra szerint a 4000 K-6000 K sugárzóhőmérséklet-tartományban a maximális hatásfok közel 60%-nak vehető. A számítások kettőnél több rétegre is analóg módon végezhetők el, pl. három réteg esetén ηmax = 69.23 % adódik és a három egyenes egyenlete: Wg1 opt = 1.05·10-4

eV T K

Wg2 opt = 2.09·10-4

eV T K

Wg3 opt = 3.47·10-4

eV T K

(1.2.10.)

Látható, hogy a hatásfok növekedése akkor a legnagyobb, ha a rétegszámot egyről kettőre növeljük. A rétegszám további növelése egyre kisebb hatásfok növekedéssel jár. Az

elmondottak

alapján

az

energiakonverziót

egy

olyan

áramgenerátorral

modellezhetjük, amelynek a forrásáramát a (1.2.4.) összefüggéssel számíthatjuk ki. Az áramgenerátor feszültsége nem lehet tetszőleges, mivel a konvertált teljesítményt a konverzió hatásfoka korlátozza. A konverzió Ukmax maximális feszültsége könnyen meghatározható. A (1.2.6.) egyenletből:

21 ∞

∞

Wg ∫ N (Wp) dWp

Wg ∫ N (Wp) dWp

η=

Wg

=

∞

∫W

p

N (Wp) dWp

∞

Wg

∫ N (W ) dW

⇒

Ee

p

p

=

Wg

η Ee Wg

(1.2.11.)

0

Behelyettesítve a (1.2.4.) egyenletbe: ∞

J=q

∫ N (W ) dW p

p

Wg

=

qη E e Wg

(1.2.12.)

Legyen a napelem hasznos felülete A, akkor a konvertált teljesítmény Ukmax AJ=Ukmax A

qη Ee = ηEe , ahonnan Wg

Ukmax =

Wg q

(1.2.13.)

így a konverziót az alábbi helyettesítő képpel írhatjuk le:

1.2.8. ábra. Az energiakonverzió áramköri modellje ahol az áramgenerátor forrásáramát a (1.2.4.) egyenlet határozza meg. A fenti áramkör csak az energiakonverziót modellezi. A félvezető napelem helyettesítő képével a következő fejezetekben foglalkozom.

22

2 2.1

A napelemek technológiai kérdései A félvezető napelem

Az energiakonverzió hatásfokát az 1.2 pontban vizsgáltam. Ennek során a napelem egyetlen tulajdonságát vettem figyelembe, nevezetesen azt, hogy csak a Wg-nél nagyobb vagy egyenlő energiájú fotonok hasznosulnak. A gyakorlatban a napelemeket félvezetőből, esetleg fém-félvezető vagy elektrolit-félvezető rendszerből állnak, amelynek az anyagi tulajdonságai határozzák meg végül a napelem tulajdonságait. Csak azok a fotonok képesek kölcsönhatásba kerülni a félvezetővel, amelyek energiája nagyobb vagy egyenlő a kérdéses félvezető Wg tiltott sávjánál. Ennek alapján definiálható egy λhat határhullámhossz: λhat =

hc Wg

(2.1.1.)

amelynél nagyobb hullámhosszúságú fotonok nem képesek elektron-lyuk pár gerjesztésére. Egy pn-átmenetet tartalmazó napelemet vizsgálva, amennyiben a félvezetőbe behatoló fotonok hullámhossza a fenti kritériumnak megfelel, és a fény a pn-átmenet tértöltési tartományában nyelődik el, az átmenet elektrosztatikus tere a generált töltéshordozókat szétválasztja: az elektronokat az n-tartományba, míg a lyukakat a p-tartományba sodorja. A pn-átmenet energiasáv szerkezetét és fénygerjesztés energetikai viszonyait a 2.1.1. ábra szemlélteti. A keletkezett fotoáram azonos irányú az átmenet záróirányú sötét áramával. Az eszköz az energiáját az átmenet két oldalára sodródó töltéshordozók felhalmozódásából nyeri.

2.1.1. ábra. pn-átmenet sávábrája fotogerjesztéssel

23 A félvezető napelemet úgy modellezhetjük, hogy a konverzió helyettesítő képét(1.2.8. ábra) kiegészítjük a félvezető diódával. Mivel a dióda UF nyitófeszültsége mindig kisebb, mint a konverzió energiaviszonyaiból számítható Umax feszültség, ezért a helyettesítő képből a határoló diódát elhagyhatjuk. Ezzel a napelem feszültség-áram karakterisztikája a 2.1.2. ábra mérőirányaival: qU

I = Ifoto + Is − Is e kT

(2.1.2.)

A mérőirányok az aktív kétpólus mérőirányainak felelnek meg.

2.1.2. ábra. Napelemcella áramköri helyettesítő képe A 2.1.3. ábra a napelem feszültség-áram összefüggését mutatja, ahol feltüntettem az Uk max feszültséget is.

2.1.3. ábra. Ideális és valós napelemcella feszültség-áram jelleggörbéje A napelem kapcsain Uk max helyett az UF nyitófeszültséget mérjük, így a napelem által leadott teljesítmény kisebb lesz annál, mint amennyit a konverzió hatásfoka alapján várnánk. A csökkenés aránya jó közelítéssel megegyezik UF és Umax arányával:

η = ηkonv

UF Uk max

(2.1.3.)

ηkonv értékét a (1.2.6.) egyenletből, míg Ukmax értékét a (1.2.13.) egyenletből

számíthatjuk. Az UF nyitófeszültséget a pn átmenet diffúziós feszültségével közelíthetjük: UF ≈Udiff

(2.1.4.)

24 A diffúziós feszültség2: Udiff =

kT NaNd ln 2 = UT ln Na Nd − UT ln ni 2 q ni

(2.1.5.)

Az ni intrinsic töltéshordozó-sűrűség3: 3

 2π mkT  − ni = 4  e 2   h 2

Wg kT

(2.1.6.)

A (4.3.6.) egyenletet a (2.1.5.)-be helyettesítve 3

Udiff

 2π mkT  Wg = UT ln Na Nd − UT ln 4   + 2 q   h

(2.1.7.)

Ha az akceptor- és a donorkoncentrációt egyaránt a tipikus Na=Nd=1016cm-3-rel számítjuk, akkor a (2.1.7.) egyenlet a következő:

UF =

Wg q

− 0.416V

(2.1.8.)

A (2.1.8.) egyenletből germánium dióda esetén (Wg = 0.67eV) UF = 0.254V, míg szilícium diódánál (Wg = 1.1eV) UF = 0.684V adódik, ami jól egyezik a tapasztalatokkal. Ezek után ηkonv, Umax és UF ismeretében a (2.1.3.) egyenletből meg tudjuk határozni a félvezető napelem η hatásfokát Wg függvényében. Az eredményt a 2.1.4. ábra mutatja:

2.1.4. ábra. Félvezető napelemcella hatásfoka a tiltottsáv-szélesség függvényében Az ábra jó egyezést mutat a szakirodalomban4 közöltekkel. Egyátmenetes félvezető napelemmel Wg ≈ 1.4eV tiltottsáv-szélesség mellett érhető el a maximális hatásfok, kb. 28%.

25 A napelem Ir rövidzárási áramát a (2.1.2.) egyenletből kapjuk az U=0 helyettesítéssel: Ir = Ifoto

(2.1.9.)

Az Uü üresjárási feszültságet ugyancsak a (2.1.2.) egyenletből nyerjük az I = 0 helyettesítéssel és rendezéssel: Uü =

Ifoto kT ln(1 + ) q Is

(2.1.10.)

A napelem által leadott teljesítmény kisebb az Uü·Ir szorzatnál,a viszonyokat a 2.1.5. ábra szemlélteti:

2.1.5. ábra. A kitöltési tényező szemléltetése Feltüntettem azt a munkapontot, ahol a teljesítmény-leadás maximális, ez a Maximal Power Point (MPP). Az MPP-hez tartozó teljesítmény arányos a 2.1.5. ábra vonalkázott területével. A vonalkázott területnek és az üresjárási feszültség és a rövidzárási áram szorzata által meghatározott területnek a hányadosát kitöltési tényezőnek (Fill Factor) nevezzük, a szakirodalomban ennek a jelölése FF vagy ϕ, értéke 75-95% között mozog. MPP meghatározása a klasszikus szélsőérték-számítással történik. Igazolható, hogy az optimális lezáróellenállás értéke megegyezik a napelemnek az MPP-ben mért differenciális ellenállásával. Erős megvilágítás esetén (Ifoto >> Is) MPP az origót az Uü-Ir ponttal összekötő egyenesre esik5, azaz Ropt =

Uü Ir

hasonlóan a lineáris belső ellenállással rendelkező feszültségforrásokhoz.

(2.1.10.)

26 2.2

A napelem hatásfokát befolyásoló tényezők

A félvezető napelem maximális hatásfokát az 1.2 - 2.1 pontokban részletesen tárgyaltam. A napelem tényleges hatásfoka függ a megvalósítás módjától (technológia, geometria stb.). A könnyebb áttekinthetőség végett a veszteségek fajtáit eredetük szerint rendszerezzük, és három alapvető csoportba soroljuk, nevezetesen: •

rekombinációs eredetű,

•

ohmikus veszteségekből és

•

optikai veszteségből adódó

veszteségekre. A rekombináció azt eredményezi, hogy a generált töltéshordozók nem járulnak hozzá a fotoáramhoz. Ezért a rekombináció mind az üresjárási feszültséget, mind pedig a rövidzárási áramot csökkenti, és ezáltal hozzájárul a hatásfok csökkentéséhez is. Rekombináció egyaránt létre jön a dióda emitterben és bázisban, továbbá igen kis mértékben a kiürített tartományban is. A legjelentősebb a határfelületen létrejövő ún. felületi

rekombináció.

A

rekombináció

ellen

a

tömbi

anyagban

a

jobb

kristályminőséggel lehet védekezni. A kristályhibák, az erős adalékolás mind növelik a rekombináció valószínűségét. A felületi rekombináció a kérdéses felület passziválásával és a hátoldali tér alkalmazásával csökkenthető. A megvalósítható napelem egyik legnagyobb mértékű hatásfokromlása az ohmikus veszteségből ered. Feszültségesés következik be a hozzávezetéseken, a fémrétegek mentén és a félvezető kristály soros ellenállásán. A fémezések és a rétegek ellenállásai jelentősen csökkentik a rövidzárási áramot. A napelem különböző részein fellépő ohmos veszteségeket a 2.2.1. ábra R ellenállásai reprezentálják. Vizsgáljuk meg, hogyan lehet ezeket a veszteségeket okozó ellenállásokat csökkenteni. Az ábrán az R1 és R4 az ohmos kontaktus félvezető - fém átmenetét modellezi. Az ellenállás csökkentése megfelelő kilépési munkájú fém megválasztásával lehetséges. A cél az, hogy az átmeneten kialakuló gátpotenciál kicsi legyen, vagyis az elektronok termikus energiájuk segítségével könnyen átjuthassanak a gáton. Egy másik lehetséges megoldás, hogy a fémmel határos felületet erősen adalékolják, így magas, de keskeny potenciálgát alakul ki, amelyen az elektronok az alagút-hatás segítségével juthatnak át (alagút effektus). A félvezető anyagnak is van ún. soros ellenállása. A bázisban a

27 felületre merőlegesen folyik az áram. Vegyünk egy 200µm vastag ρ = 1Ωcm fajlagos ellenállású Si szeletet, melynek az ellenállása a nagy felület miatt gyakorlatilag elhanyagolható. Az emitterben viszont a bizonyos távolságokra lévő áramgyűjtő fémezés miatt az áram többnyire párhuzamos a felülettel.

2.2.1. ábra. A napelem ohmikus veszteségei A kis keresztmetszet miatt ez az ellenállás jelentős. Az ohmikus veszteség utolsó fajtája az R5-tel és R6-tal reprezentált fémezés ellenállása. Az ellenállás függ a fémezés anyagától, technológiájától és méretétől. Az R5, R6 ellenállások az elosztott paraméterjellegből következően integrálással kaphatók meg. A kivezetés helyének megválasztása szintén fontos. Ha pl. a gyűjtősín kivezetése nem középen, hanem az egyik szélen van, akkor az R6 ellenállás négyszeresére növekszik. Az áramgyűjtő fémezés méretének és "sűrűségének" növelésével ugyan csökkenthető az ellenállás okozta veszteség, de egyidejűleg növekszik a napfény elől leárnyékolt félvezető felület nagysága is. Ez a meggondolás vezethet tovább bennünket az optikai jellegű veszteségek tárgyalásához. Az optikai veszteségek elsősorban a reflexiós és a transzmissziós veszteségekből erednek, azonban hozzájárulnak a veszteségekhez az η kvantumhatásfokot csökkentő fizikai hatások is. A hálózatba kapcsolt napelem-moduloknál letakarási veszteségek is felléphetnek azáltal, hogy a keret, a tok és a fémezés a hasznos félvezető felület egy részét eltakarja. A letakarási veszteségek csökkentése érdekében a fémezés méretét kellene minden határon túl csökkenteni, az ohmikus veszteség csökkentése azonban ennek éppen ellenkezőjét kívánja meg. A veszteség minimalizálása érdekében optimumot kell keresni a fémezés mérete és a letakart felület nagysága között. Az optimalizáláson túl megemlítünk két példát a probléma ötletes megoldására. Az egyik a

28 fémezés kiterjedésének mélységi irányban való növelése. Ezt valósítják meg az eltemetett kontaktusú, ún. BC-napelemek. A másik megoldás, ha az egész felületet átlátszó vezetőréteggel borítják. Ilyen réteget alkotnak az átlátszó vezető oxidok (TCO transparent conductive oxid)6. A reflexiós veszteséget azáltal minimalizálhatjuk, hogy a félvezető felszínén vékony dielektrikum-réteget – antireflexiós réteget – hoznak létre. Ez a vékonyréteg lehet egyben a TCO, ill. a felületet passziváló réteg. Az antireflexiós réteg azonban csak egy szűk hullámhossz-tartományban képes a reflexiót minimalizálni, ezért ezt a hullámsávot - értelemszerűen - a maximális érzékenység hullámhosszának környezetében választják meg. A reflexió csökkenthető még a felület texturálásával is. Az optikai veszteséghez a transzmissziós veszteség is hozzájárul, vagyis azoknak a fotonoknak a mennyisége, amelyek az anyagon abszorpció nélkül áthaladnak. AM1.5 megvilágítás mellett 200 µm vastag szilícium rétegen kb. 10%-nyi a nem abszorbeálódott rész. Bár a legnagyobb kvantumhatásfokot a határhullámhosszal rendelkező fotonok hozzák létre, az ilyen sugárzásnak azonban meglehetősen nagy a behatolási mélysége. Ha a kristály-lemez vastagsága a behatolási mélységnél kisebb, megnő a transzmissziós veszteség. Ezért célszerű vastagabb kristály-szeletet alkalmazni és a pn-átmenet síkját olyan mélységben kialakítani, ami a megvilágító fény hullámhossz-tartományával összhangba hozható. Csökkenthető a veszteség azáltal is, hogy a félvezető hátoldalát tükrös felülettel vonják be, és így a még nem abszorbeálódott fotonok a tömb anyagába visszatükröződnek. Ha a hátoldalt ún. Lambert-sugárzó felület formájában alakítják ki, akkor a nem abszorbeált fotonok diffúz módon tükröződnek vissza a félvezetőbe, ezzel is növelve az abszorpció mértékét. Sok esetben

a

tükröző

réteg

egyben

kontaktusként

is

szolgál,

pl.

alumínium

felpárologtatásával. A direkt sávszerkezetű anyagokból nagy abszorpciós tényezőjük miatt néhány mikron is elegendő a fény teljes abszorpciójához. Ezen anyagoknál a transzmissziós veszteség nem meghatározó. A félvezető eszközök számos paramétere hőmérsékletfüggő. Kimutatható, hogy a napelemek hatásfoka a hőmérséklet emelkedésével csökken. Az előzőekben már volt arról szó, hogy a megvilágítás erősségétől hogyan függ a fotoáram és a fotofeszültség. A napsugárzás erősségének növekedtével nem csak a napelem által hasznosítható

29 spektrumtartomány intenzitása növekszik, hanem az infravörös tartomány is, ami elsődleges oka az eszköz felmelegedésének. Vizsgáljuk meg részletesebben, hogy milyen hatással van az eszköz felmelegedése a működésre. Nézzük meg egy soros-párhuzamos rendszerbe kapcsolt pn-átmenetekből álló napelem-modul kísérletileg felvett áram - feszültség karakterisztikáját azonos megvilágítás mellett, különböző hőmérsékletek esetén (2.2.2. ábra).

2.2.2. ábra. Napelemmodul feszültség-áram jelleggörbéi különböző hőmérsékleten Az ábrából látható, hogy a hőmérséklet növelésével a rövidzárási áram kissé nő, míg az üresjárási feszültség jelentősen csökken. Jó közelítéssel a rövidzárási áram változásától eltekinthetünk. A 2.1 pontban tárgyaltak alapján megállapíthatjuk, hogy az üresjárási feszültség egyrészt lineárisan nő a hőmérséklettel, másrészt pedig exponenciálisan csökken Is-en keresztül. Tehát a csökkenő hatás a domináns. A Si és GaAs napelem esetén azonban a hatásfokromlás különböző. Szilícium esetében sokkal jelentősebb, mint a GaAs-nál, és a tendenciája Si esetében kb. 250 °C-ig, míg GaAs esetében 350 °C-ig lineárisnak tekinthető. Az tapasztalható tehát, hogy a melegedés hatásával szemben is a GaAs napelem a megfelelőbb.

30 2.3

Napelemmodulok

A nagyhatásfokú napelemcellák felülete néhány cm2, áramuk legfeljebb néhányszor tíz mA, üresjárási feszültségük az alkalmazott félvezető anyagától függően néhány tized V, ritkán haladja meg az egy voltot. Amorf napelemcellát készítve a felület és ezzel a cella árama elvileg tetszőleges nagy lehet, de az üresjárási feszültség ezzel még nem nő meg. Márpedig a napelemekre legtöbbször félvezetős DC/DC átalakítókat vagy invertereket kapcsolnak, amelyekben a kapcsolóeszközök maradékfeszültsége miatt ilyen kis bemenőfeszültség mellett nem érhető el jó hatásfok. Ugyancsak hátrányos, hogy a kis feszültség mellett leadott nagy teljesítmény nagy árammal jár,

ami nagy

vezetőkeresztmetszet alkalmazását követeli meg. A megoldást a napelemcellák összekapcsolása jelenti. Ismert, hogy feszültséggenerátorokat probléma nélkül kapcsolhatunk sorba, áramgenerátorokat pedig párhuzamosan. A napelemcella azonban se nem egyik, se nem másik. A jelleggörbéje alapján akár áramhatárolt feszültséggenerátornak is vélhetnénk, de a fizikai működését ismerve feszültséghatárolt áramgenerátorként jellemezhetjük. A 2.3.1. ábra három sorbakapcsolt napelemcella egyszerű helyettesítő képét mutatja:

2.3.1. ábra Sorbakapcsolt napelemcellák

31 Az áramkör eredő feszültség-áram karakterisztikáját könnyen megszerkeszthetjük, az eredményt a 2.3.2. ábra szemlélteti:

2.3.2. ábra. Sorbakapcsolt napelemcellák eredő feszültség-áram jellegggörbéje Egy adott áram mellett a modul kapocsfeszültsége az egyes cellák feszültségeinek az összege, így az áramkör üresjárási feszültsége is az üresjárási feszültségek összege. Ha a cellák különböznek, akkor az eredő rövidzárási áram jó közelítéssel megegyezik a cellák rövidzárási áramai közül a legkisebbel. Az egyes cellákon mérhető feszültség ekkor egyaránt lehet pozitív és negatív is, összegüknek nullát kell adnia. Szélsőséges esetben egyetlen cellán mérünk záróirányú, míg az összes többin nyitóirányú feszültséget. Mivel általában megköveteljük, hogy az áramkör károsodás nélkül viselje el a rövidzárat, ezért nem köthetünk sorba tetszőleges számú napelemcellát.

2.3.3. ábra. Napelemmodul védelme félvezető diódával Hasonló veszély fenyeget akkor is, amikor a sorba kötött cellákat külső terheléssel zárjuk le és valamelyik cellát letakarjuk, azaz a fotoárama nulla lesz. Ekkor a többi cella árama záróirányban folyna a letakart cellán át, így azt záróirányban feszíti elő, a cellára jutó feszültség pedig a többi cella üresjárási feszültségének összege lesz. Elkerülhetjük a letakart cella tönkremenetelét úgy, hogy 10-20 cellánként egy párhuzamosan kapcsolt

32 védődiódát (bypass-dióda) alkalmazunk, amely üzemi körülmények között záróirányban van előfeszítve és csak egy cella letakarásakor nyit ki (2.3.3. ábra). A cellák párhuzamos kapcsolásánál (2.3.4. ábra) a forrásáramok adódnak össze:

2.3.4. ábra. Párhuzamosan kapcsolt napelemcellák Az áramkör eredő feszültség-áram karakterisztikáját ebben az esetben is könnyen megszerkeszthetjük, az eredményt a 2.3.5. ábra mutatja. Az áramkör üresjárási feszültsége a cellák üresjárási feszültségei közül a maximum és a minimum közé esik, rövidzárási árama az egyes cellák rövidzárási áramainak összege. Rövidre zárva az áramkört valamennyi cellán a saját fotoárama folyik át nulla feszültség mellett, ezért nem megy tönkre egyik sem. Üresjárásban elvileg előfordulhat, hogy az egyik cella üresjárási feszültsége lényegesen kisebb, mint az összes többié, és ezért a többi cella fotoárama ezen az egyen keresztül folyik, de ez az eset nem tipikus.

2.3.5. ábra. Párhuzamosan kapcsolt napelemcellák eredő feszültség-áram jelleggürbéje A gyakorlatban a cellák sorbakapcsolásával néhányszor tíz voltos oszlopokat állítanak össze, majd az így létrehozott oszlopokból annyit kötnek párhuzamosan, hogy a kívánt áramot le tudja adni az áramkör. Az ily módon összekapcsolt és közös tokba helyezett napelemcellákból készült rendszert napelemmodulnak nevezzük.

33

Amorf szilíciumból készült cellák felülete elvileg tetszőleges nagy lehet, így a cella fotoárama is, ezért amorf cellákat elegendő sorba kötni. Elvileg közömbös az, hogy az egyes cellák milyen alakúak és milyen sorrendben helyezkednek el a modulban. A gyakorlat azonban mást mutat. A 2.3.6. ábra egy amorf szilíciumból készült napelemmodul elrendezését szemlélteti:

2.3.6. ábra. Amorf napelemcellákból készült modul kialakítása Ha a ferde síkban telepített modul felületét beborítja a hó, akkor természetesen a modul nem szolgáltat teljesítményt. Már gyenge napsütés is elegendő ahhoz, hogy a hóréteg megcsússzon és modul felső része szabaddá váljon. Ekkor minden cella valamekkora részét éri napsütés, így megindul az energiatermelés. Ha ugyanebben a modulban vízszintesen helyeznénk el a cellákat, akkor gyakorlatilag az egész felületről le kell a hónak olvadnia ahhoz, hogy a modul elektromos teljesítményt szolgáltasson. A 3.sz. mellékletben a hazai gyártású (Dunasolar Rt.) DS40 napelemmodul jellemzői találhatók. Az amorf szilíciumból készült modul névleges teljesítménye 1000W/m2 besugárzott felületi teljesítmény mellett 40W, felülete 0.8 m2, így a hatásfokra 5% adódik.

A

feszültség-áram

karakterisztika

a

monolit

félvezetőből

készült

napelemmodulokéhoz képest laposabb, a modul kitöltési tényezője kb. 60%, ami nem meglepő a kis hatásfok ismeretében.

34 2.4

A napelem tokozása

Mint minden félvezető eszközt - a külső káros behatásoktól való védelem és a mechanikai stabilitás miatt

- a napelemet is tokozni kell. A tokozott, egybeintegrált

cellákat moduloknak nevezzük. A modulméret és a kialakítás erősen függ a felhasználás fajtájától. A cellák mérete szintén felhasználás- ill. technológiafüggő. A nagyobb hatásfokú cellák pl. legfeljebb egy-két cm2 nagyságúak. A tokozás fajtája függ a felhasználási módtól. Gondoljunk csak a világűrben használt koncentrátorelemekkel ellátott GaAs-alapú modulokra vagy a nagyobb felületű földi alkalmazásokra. A napelem konstrukció félvezetős része, bármely megoldást nézzük is, legfeljebb néhány száz µm vastagságú. Ezt a fotovoltaikus eszközt, hogy a sérülésektől megvédjük és megfelelő mechanikai stabilitást adjunk neki, tokozni kell. Földi alkalmazás esetében a félvezető lapkák két biztonsági üveg között műanyagágyban helyezkednek el. Az első üveg jó fényáteresztő képességű, a hátsó viszont a termikus feszültségek kiküszöbölésére szolgál. A napelem vastagságát, súlyát a konstrukcióból adódóan alapvetően a védő, hordozó üveg határozza meg. Van műanyag ill. fém hátoldalú eszköz is. Itt a különböző hőtágulás okoz gondot.

2.4.1. ábra. Napelemmodul geometriai méretei és elektromos jelleggörbéi A napelemmodulok készülhetnek a felhasználástól függően kerettel vagy anélkül. Az eszközök többnyire keretbe vannak foglalva, felerősítésük e keretek által történik. A

35 keret anyaga alumínium vagy egyéb könnyűfém. A keretes napelemmodul tipikus geometriai méreteit és a levehető elektromos teljesítményt különböző besugárzások és hőmérsékletek mellett a 2.4.1. ábra mutatja. A nagyhatásfokú napelemek a technológiájuk miatt viszonylag drágák és kis felületűek. A hatásfok további növelésére, valamint a napelemmel borítandó felület csökkentésére a cellák elé a napfényt koncentráló elemeket tesznek. A koncentrátor elemek használatával nő a fajlagos hatásfok és a nagy bonyolultságú napelemek használata gazdaságossá válik. Nagy hatásfokú napelemek nemcsak a GaAs és a rokon félvezetőanyagokból, hanem kristályos szilíciumból is készülnek. A hatásfok és a gazdaságosság ilyetén növelése elsősorban mégis a GaAs-alapú eszközökre jellemző, melynek félvezető-fizikai okai vannak. (Si-alapú eszközöknél is használják, de sokkal kisebb mértékben.)7 A napelemcellát kb. 850 W/m2 napsugárzás éri AM1.5 esetben. A koncentrátor elemekkel ez az érték tíz-, száz-, ezerszeresére (ill. sokezerszeresére) növelhető (lásd 2.4.2. ábra. A “minidóm” napfény-koncentrátor felépítése).A nagy intenzitás megváltoztatja a transzport-tulajdonságokat. A besugárzás növekedésével általában növekszik a rövidzárási áram, az üresjárási feszültség, a kitöltési tényező és a hatásfok is. Nem mindegy, hogy mekkora hatásfok-növekedést és milyen áron érünk el. Si esetében a nagy injekció hatására a sávból-sávba történő- és az Auger-rekombináció megnövekszik, és a soros ellenállás hatásfokcsökkentő hatása is jobban érvényesül. A GaAs itt is megfelelőbb anyagnak bizonyul, mert a szilíciumhoz képest a GaAs-ben az előbb említett rekombinációs veszteségek csak jóval magasabb fényintenzitás mellett jelentkeznek. A transzportparaméterek hőmérsékletfüggése sem elhanyagolható szempont, ugyanis a koncentrátorelemek alkalmazásával jelentősen megnőhet a cella hőmérséklete. A GaAs előnye a nagyobb tilossáv-szélességből adódó alacsonyabb hőmérsékletfüggésből is következik. Vegyünk egy 300K-en 30% hatásfokú Si- és egy 30% hatásfokú GaAs-alapú eszközt. 500 K-en a Si-alapú eszköz hatásfoka felére csökken (15%), míg a GaAs-alapú eszköz hatásfoka csak 5%-al romlik (25%). A hatásfok degradációjának csökkentésére az eszközt aktív vagy passzív módon hűtik. A napfény koncentrálására használt optika igen sokféle lehet. Lehet ún. leképző és nem leképző

rendszerű,

továbbá

lehet

lencsés

vagy

tükrös.

A

gyakorlatban

36 anyagtakarékossági okokból nem egyszerű lencséket és parabolatükröket használnak, hanem ún. Fresnel-lencséket és Fresnel-tükröket, reflektrokat. A napsugarak optimális összegyűjtéséhez az szükséges, hogy a lencse tengelye a Napra irányuljon.

2.4.2. ábra. A “minidóm” napfény-koncentrátor felépítése A napelemcella a Nap napi és éves mozgásához való igazítása költséges és esetenként helyhez kötött alkalmazás esetén - nem is lehetséges. Ezt küszöböli ki a "mini dóm" Fresnel-lencse. Egy ilyen cella képét a 2.4.2. ábra mutatja. A szférikus lencsénél egyszerűbb és anyagtakarékosabb a henger alakban meghajlított Fresnel-lencse. Az elrendezést a 2.4.3. ábra mutatja. A napelem hátulján a teljesítményeszközöknél megszokott alumínium hűtőborda létesíthető a disszipáció elősegítésére.

2.4.3. ábra. Hengerpalát alakú Fresnel-lencse A napfény összegyűjtése nemcsak külső lencsékkel lehetséges, hanem közvetlenül az eszköz felületére ragasztott lencsesorral is, amely a napsugár koncentrálásán túl a fémezés árnyékoló hatását is segít kiküszöbölni ( lásd 2.4.4. ábra ).

2.4.4. ábra. A napfény koncentrálása a napelem felületére ragasztott lencsesorral

37 2.5

Napelemek minőségellenőrzése és megbízhatóságvizsgálata

A napelemek az aktív elektronikus eszközök családjába sorolhatók, ezért minőség- és megbízhatóság-vizsgálatukra az e tárgykörre vonatkozó szabványok a mérvadók. 2.5.1

Általános kérdések

Minőségnek nevezik általában egy gyártmány tulajdonságainak azon összességét,

amelyek a gyártmányt a felhasználási céloknak megfelelővé teszik. Adott elektronikus termék minőségellenőrzésén a termék paramétereinek vizsgálatát értik, tehát annak ellenőrzését, hogy a termék paraméterei (rendszerint a katalógusok, adatlapok által közölt specifikációs jellemzők) az előírt értékeknek megfelelnek, ill. a még megengedett értékhatárt nem lépik túl. Minőségellenőrzésre mind a gyártó cégnél, mind a felhasználónál sor kerülhet. A gyártónál a minőségvizsgálat általában a gyártás befejezése után nulla üzemidőt

feltételezve történik. A gyártási folyamattól függően azonban létezik a gyártásközi minőség-ellenőrzés is, ebben az esetben a félkész terméket az egyes gyártási folyamatok között vizsgálják. E vizsgálati mód előnye, hogy a selejtes termék már a gyártási folyamat során kiszűrhető, és további előny, hogy a hiba-okokból következtetni lehet esetenként valamely gyártóberendezés meghibásodására vagy elégtelen működésére. Amennyiben a minőségvizsgálat a felhasználónál történik, a vizsgálat azt hivatott ellenőrizni, hogy a kényesebb elektronikus termékek a csomagolás, szállítás vagy a tárolás során nem szenvedtek-e degradációt. Számos elektronikus eszköz mutat ún. öregedési jelenséget, vagyis paraméterei attól függően is változhatnak, hogy milyen körülmények (klimatikus viszonyok, hőmérséklet, stb.) között és mennyi ideig tárolták azokat. Mind a gyártó, mind a felhasználó által végzett minőségvizsgálatok történhetnek egyedenkénti ellenőrzéssel, vagy pedig matematikai statisztikai módszerekkel. Az egyedenkénti ellenőrzés azt jelenti, hogy a legyártott termék valamennyi egyedét

megvizsgálják, míg a statisztikus vizsgálatok mintavételezéssel történnek.

38 A vizsgálatok elvégezhetők roncsolásos és roncsolásmentes módon. Roncsolásos vizsgálatoknál a terméket szétszedik, vagy egyéb fizikai-kémiai behatásokkal illetik, az ilyen vizsgálatok – értelemszerűen – csakis statisztikus jellegűek lehetnek. Roncsolásmentes vizsgálatnál a termék nem sérül meg, az ilyen minősítések tehát bármekkora mintacsoporton elvégezhetők. A meghibásodás és megbízhatóság tekintetében az MSZ IEC 50(191):1994 szabvány alapján rögzített fogalmakat használják az elektronikus alkatrészek esetén

E szabványok értelmében a megbízhatóság egy objektumnak az a képessége, hogy előre meghatározott határokon belül kielégíti azokat a felhasználási célnak megfelelő követelményeket, amelyeket tulajdonságainak változásaival szemben egy adott időtartam során támasztanak. 2.5.2

Napelemek hibamechanizmusai

A napelemek vizsgálatai kapcsán csak a felhasználó által elvégezhető, ill. elvégezni javasolt minőség- és megbízhatóság-vizsgálatokra térünk ki. A napelemek – mint ismeretes - félvezető-alapú elektronikus eszközök és szűkebb értelemben a diódák családjába sorolhatók. Az áramköri diódákkal összehasonlítva a napelemeket, néhány szembetűnő eltérés tapasztalható. •

A napelem készülhet egykristályból vagy polikristályos, esetleg amorf félvezetőből.

•

A napelem nagy felületű, és ezzel együtt nagy pn-átmenet (fém-félvezető átmenet, vagy MIS) területtel rendelkezik. Az egykristályból készült napelemek tipikusan néhány négyzet centiméter, míg a polikristályos változatok több négyzet deciméter területűek lehetnek.

•

A félvezető lapkát közvetlenül éri a fény, és a félvezetőn vékony oxidréteg (esetleg műanyag vagy üveg fedőlemez) helyezkedik el.

•

A napelemet nem terheli külső feszültség: üresjárási feszültségét, ill. rövidzárási áramát a fény hatása kelti.

39 •

A napelemet az üresjárási feszültség hasznosítása esetén nagy belső ellenállású fogyasztó, míg a rövidzárási áram hasznosításakor ideális illesztést biztosító műveleti erősítős bemenet terheli.

A fenti felsorolás értelmében a napelemek minőség- és megbízhatóságvizsgálatai jelentősen eltérnek az áramköri diódák szokványos vizsgálataitól. Mielőtt rátérnénk a napelemek számára javasolt vizsgálatok tárgyalására, elemeznünk kell a napelemek minőségét korlátozó tényezőket és meghibásodási jelenségeiket. A napelemek meghibásodásának három alapvető forrása különböztethető meg: 1. A félvezető szelet hibái, degradációk 2. Kontaktálási hibák 3. Szerelési-tokozási elégtelenségek A félvezető szelet hibáival kapcsolatban mondhatjuk, hogy minél nagyobb a kristálylemez területe, annál nagyobb valószínűséggel fordulhat elő valamilyen kristályrácshiba (diszlokációk, ponthibák, idegen anyagok, szennyeződések beépülése, stb.). A kristályhibák közül a legveszélyesebbek azok, amelyek a pn-átmenet kiürített rétegében fordulnak elő, mert hatásukra az átmenet egyenirányító jellege romlik, áthidalások, ohmikus átvezetések léphetnek fel. Degradáció (gyorsabb tönkremenetel) elsősorban az amorf alapanyagú napelemeknél lép fel. Ezeket azonban a kisebb hatásfok miatt a katonai célokra korlátozottan alkalmazzák. A világűrben való alkalmazásoknál a kozmikus sugárzás és a különféle korpuszkuláris sugárzások, ionok, stb. jelentős károkat okozhatnak a félvezetőben. A szilícium alapú napelemek mintegy 15 éves élettartamot mutattak. A GaAs azonban sokkal ellenállóbb e tekintetben, ezért az igen nagy megbízhatóság igénye esetén javasolhatók a GaAs, vagy egyéb, ugyancsak ellenálló intermetalloid félvezető anyagok alkalmazása napelemként.

40 A félvezető szelet hibái elsősorban a napelemek minőségét befolyásolják: a kristályhibákkal rendelkező napelem az elvárt üresjárási feszültséget és rövidzárási áramot nem lesz képes teljesíteni. A napelemek meghibásodását a legtöbb esetben a kontaktálási hibák okozzák. A repedésekkel, érintkezési hibákkal, nagy kontaktus-ellenállással rendelkező érintkezők nemcsak a napelemek elektromos paramétereit rontják, hanem az eszköz korai meghibásodásához, sőt teljes tönkremeneteléhez is vezethetnek. Különösen veszélyesek a kontaktushibák a szabadban működő napelemeknél, mivel az időjárás hirtelen megváltozása által a környezeti hőmérséklet ugrásszerűen ingadozhat, és a fém, valamint a félvezető hővezetési együtthatójának különbözősége folytán a rosszul kiképzett kontaktus a félvezetőről leválhat. A szerelési-tokozási elégtelenségek gyakran okozhatják a rendkívül törékeny félvezető anyag hajszálrepedéseit és kontaktus degradációit, amelyek ezt követően mint kristályhibák és kontaktálási hibák fejtik ki káros hatásukat. A szabad térben – főként a világűrben alkalmazott napelemeknél - ártalmas lehet az UV-sugárzás, ami a tokozás beágyazó műanyag fóliáját károsítja. Ilyen célra éppen ezért UV-álló anyagokat alkalmaznak. A megbízható működés szempontjából fontos a mechanikai védelem is. Előfordulhat, hogy a szél kavicsot, vagy egyéb törmeléket sodor a napelemre, vagy esetleg jégeső károsítja meg az igen törékeny félvezető lemezeket. A mechanikai védelmet megfelelő védőfóliák vagy fedőlemezek révén valósítják meg. 2.5.3

Napelemek vizsgálatai

Az 2.5.2 pontban felsorolt hibajelenségek indokolttá teszik a napelemeknek a felhasználó által elvégzendő vizsgálatait. Különösen fontosak a vizsgálatok abban az esetben, ha a napelem valamilyen nagyon fontos (pl. katonai célú) berendezést üzemeltet, és ennek okán meghibásodása katasztrofális kihatású lehet. A napelemek vizsgálata történhet matematikai statisztikai módszerekkel, vagy esetleg egyedi úton. A matematikai statisztikai módszer azt jelenti, hogy egy nagyobb

41 tételszámú szállítmányból mintavételezés történik, és a minták vizsgálatából következtetnek az egész szállítmány minőségére. A mintavételezéssel kapcsolatban utalunk a jól ismert mintavételezési tervek készítésének módszereire. Egyfokozatú mintavételi terv számítógépes programja intézetünkben is készült szakdolgozat formájában8. Katonai célú felhasználás esetén egyedi vizsgálatokat akkor célszerű végezni, ha csak néhány darab napelemet alkalmazunk, és azok minősége és megbízhatósága kritikus tényező. Minőségellenőrzés

A napelemek két legfontosabb paramétere – mint már említettük – az üresjárási feszültség és a rövidzárási áram. A gyártótól átvett napelemeken célszerű e két elektromos jellemzőt a specifikációnak megfelelő hőmérsékleti és megvilágítási tartományban meghatározni. Ezek a vizsgálatok természetszerűleg roncsolásmentesek. Az üzemeltetés során bekövetkezett hibákért felelősek lehetnek az eszközben eleve meglévő belső hibák, vagy pedig a felhasználó által okozott hibák. Ez utóbbiak közé sorolhatók a specifikációnak nem megfelelő alkalmazások, vagy az esetleges károk (időjárási viszontagságok, mechanika behatások, stb.). Amennyiben a hibaokokat tisztázni kívánjuk, ajánlatos a napelemek roncsolásos vizsgálata. A legtöbb napelem modulrendszerben készül, ezért a roncsolásos vizsgálatokhoz szét kell szerelni a vizsgálni kívánt modult, és a tokból vagy foglalatból ki kell emelni az egyes napelem-lapkákat. Igényesebb vizsgálatokhoz csiszolatot kell készíteni a lapkából, ezáltal a lapka keresztmetszeti képe is megtekinthető. Mind a roncsolásmentes, mind a roncsolásos vizsgálatoknál alkalmaznak optikai ellenőrzési módszereket. A roncsolásmentes vizsgálatoknál nagyítóval vagy egyszerűbb mikroszkóppal szemlélik a napelemeket így ellenőrizve, hogy felületükön nem láthatóke karcok vagy törésvonalak. A roncsolásos vizsgálatoknál a nagyfelbontású mikroszkópokon kívül alkalmazható a transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM). Ez a készülék 103…105-szeres nagyításokat tesz lehetővé, felbontása 0,2…0,3 nm. Ugyancsak

alkalmazható

a

raszter-elektronmikroszkóp

vagy

pásztázó

42 elektronmikroszkóp (REM), amelynek ugyan kisebb a felbontása (max. 10 nm), azonban

segítségével

felületek

is

vizsgálhatók

és

a

mérések

során

nagy

mélységélességű, térhatású képek készíthetők. Infravörös mikroszkópokat 1960-tól kezdődően használnak. Ezekkel termográfiai vizsgálatok végezhetők: meghatározható a félvezető-lapka területének hőmérsékleteloszlása. Ahol melegebb pontok észlelhetők, ott áramkoncentrálódási jelenségek lépnek fel, ezek egyértelműen kristályhibákra utalnak. A félvezető lapkák kristályhibáinak és kontaktushibáinak gyors felismerését teszi lehetővé a hibakatalógus. Az ilyen katalógusban a meghibásodott alkatrészek nagy nagyítású fényképfelvételeit gyűjtik össze. Megbízhatóságvizsgálat

A napelemek tartós égetése üzemi körülmények között nehezen megoldható, mivel ebben az esetben maximális megvilágítás mellett kellene mérni az üresjárási feszültséget és a rövidzárási áramot. A napfény okozta maximális megvilágítást hosszú időn át laboratóriumi körülmények között biztosítani nem lehetséges. A diódák tulajdonságairól: hibás vagy hibátlan voltukról azonban igen sokat árul el a sötétáram. A sötétáram nem más, mint a megvilágítás nélkül mérhető rövidzárási áram. Az

áramköri

diódák

„sötétárama”

a

záróáram,

amelyet

több

különböző

zárófeszültségnél, esetleg a zárófeszültség függvényében mérnek. Mint ismeretes, a záróáram egyenesen arányos a diódák pn-átmenetének területével. Ebből következik, hogy a nagyfelületű napelemek sötétárama jól mérhető elektromos paraméter. A záróáram (sötétáram) a specifikált értékhez képest megnövekszik, amennyiben a pnátmenet nem tökéletes. Bár a napelemek nem igényelnek külső feszültséget, gyorsított vizsgálatok végezhetők úgy is, hogy a napelemre rákapcsolják a maximálisan megengedett zárófeszültséget, és úgy mérik meg a sötétáramot. Megnövelve a napelemek hőmérsékletét, gyorsított (öregített) vizsgálatok végezhetők. A napelem maximálisan megengedett hőmérséklete a kérdéses félvezető anyagától függ (szilícium esetében +225 oC).

43 Az állandó hőntartáson kívül hősokkos vizsgálatokat is alkalmaznak, amelynek során a hőmérsékletet hirtelen emelik fel a maximális értékre. Szokásosak még a ciklikus hősokk-vizsgálatok is.

44 2.6 2.6.1

Katonai szempontból releváns technológiák Földi rendszerek (kristályos szilícium, nagyhatásfokú bipoláris eszközök)

A katonai alkalmazások esetén a földi napelemes rendszerekkel szemben támasztott követelményeket elsősorban a megbízhatóság és a nagy hatásfok jelenti. A felhasznált anyagmennyiség minimalizálásának kérdése többnyire elhanyagolható tényező. Így a választás a kristályos szilíciumból készíthető ún. nagyhatásfokú eszközökre esik. A kristályos

szilíciumnak

a

félvezetőeszköz-gyártásban

kiforrott,

megbízható

a

technológiája. A töltéshordozó transzport paraméterek jók, csak az abszorpciós tulajdonságok hagynak némi kívánnivalót maguk után, de azt az anyagmennyiség növelésével, azaz a napelem vastagításával kiküszöbölhetjük. A jó minőségű kristályos szilícium alapanyag előállítása még mindig viszonylag drága technológia. A szilícium nagyon előnyös technológiai tulajdonságai miatt használatos a napelem készítésben. A viszonylagosan

drága

egykristályos

alapanyag

miatt

célszerű

különböző

konstrukciókkal a minél magasabb hatásfok elérése. Ha a hatásfokot jelentősen növelni akarjuk, akkor a diffúziós úthossz miatt viszonylag enyhén adalékolt emitter rétegre van szükségünk. Az árnyékolási veszteségek csökkentése miatt vékony áramgyűjtő vezetékezést kell alkalmazni. A szükséges 10-30 µm

csíkszélesség

csak

a

költséges

fotolitográfiás

és

vákuumpárologtatásos

technológiával oldható meg. A homlokoldali rekombinációs veszteség csökkentésére a fémezetlen felületet SiO2-dal passziválják. A szilícium alapú napelemek közül jelenleg a legnagyobb hatásfokú az ún. passzivált emitterű (PERL: passivated emitter and rear, locally diffused) cella, amelynek a hatásfoka 26%. Hasonló technológiájú az ún. lokális hátoldali térrel rendelkező (LBSF: local, back surface field) cella, amelynek hasonlóan magas a hatásfoka 23.3%. A PERL/LBSF cella konstrukcióját a 2.6.1. ábra mutatja. A cellához kb. 1Ωcm-es fajlagos ellenállású, közepesen adalékolt p-típusú Si hordozót használnak. A homlokoldalt anizotróp kémiai maratással strukturálják. Ezáltal negatív piramis alakú képződmények jönnek létre a felületen. A napelem hátoldali helyi p+adalékolását bór diffúzióval a homlokoldali emitter réteget pedig foszfor diffúzióval

45 valósítják meg. A felületen kb. 100 µm vastag termikus SiO2 réteget hoznak létre passziválás és antireflexiós réteg céljából, majd a fémezés következik.

2.6.1. ábra. Passzivált emitterű napelemcella felépítése A hátoldali fémezés a tükrözés biztosítása miatt kb. 2 µm-es vákuumpárologtatott alumínium réteg, mely a még nem abszorbeálódott fotonokat visszatükrözi a félvezetőbe. A homlokoldali fémezés kb. 0.1 µm Ti-Pd-Ag-anyagrendszerrel, majd kb. 8 µm vastagságban Ag vákuumpárologtatással készül. A fémezés csíkszélessége kb. 15µm.

2.6.2. ábra. Pontkontaktusú cella felépítése Az előzőekhez hasonlóan szintén nagy hatásfokú a pontkontaktusos napelem. Itt mindkét kontaktus a leárnyékolást csökkentendő a hátoldalon van. Ezzel a cellatípussal 23%-os hatásfokot értek el. A cella konstrukcióját a 2.6.2. ábra mutatja. A cella áram feszültség karakterisztikáját és a kvantumhatásfokot a hullámhossz függvényében az 2.6.3. ábra szemlélteti.

46

2.6.3. ábra. Pontkontaktusú cella feszültség-áram jelleggörbéje és kvantumhatásfoka A cella felülete A = 0.152 cm2, üresjárási feszültsége Uü = 0.6813 V, rövidzárási árama Ir = 6.235 mA, rövidzárási áramsűrűsége Jr = 41.02 mA/cm2, az MPP-ben a feszültsége Umax = 0.5778 V, ebben a munkapontban az árama Imax = 4.764 mA. A cella kitöltési tényezője φ = 78.41%, ezzel a hatásfoka η = 21.9%. A cella kvantumhatásfoka is igen jó, a napsugárzás maximuma környékén nagyobb mint 95%, így érthető, hogy a Wg-nél nagyobb energiájú fotonok is jó hatásfokkal hasznosulnak, a rövidzárási áramsűrűség megközelíti a (4.2.4.) képlettel számított értéket. Ezeknek az ún. nagyhatásfokú napelemeknek a cella mérete általában nem nagyobb mint 2x2cm2. A hatásfok növelése céljából a cella elé néha koncentrátorelemeket helyeznek. A napelemek egyik nagy problémája a hátoldali rekombinációs veszteség. A szokásos napelem hátoldalát teljesen beborítja a fémezés a minél nagyobb felületű kontaktus létesítése céljából. A nagy felület egyben nagy felületen jelentkező felületi rekombinációt is jelent. A félvezető technológiában egy már régen ismert megoldása ennek a problémának egy erősen adalékolt réteg (p+) kialakítása közvetlenül a fémezés előtt. Ezzel a megoldással a felületi rekombinációs sebesség négy nagyságrenddel csökkenthető. Növekszik ezáltal az üresjárási feszültség és a rövidzárási áram, így a hatásfok is. A p+ adalékolás optimális mélysége 2-3 µm. Az adalékolás során létrejövő p+-p átmenetnél létrejövő elektromos teret (qΦb) hátoldali térnek (BSF, back surface field) nevezzük.

47 A SiO2-vel passzivált felület esetén a felületi rekombinációs sebesség még egy nagyságrenddel kisebb mint a fent említett kontaktus-réteg esetében. Ha a hátoldal felületének egy részét oxidáljuk a kontaktus felület rovására, megmutatható, hogy a bázisáram növekszik. Természetesen nem csökkenthető a kontaktusméret minden határon túl. A maximális kivehető áram periódikus elrendezéssel érhető el, ahol a felület egy részét oxidáljuk, egy részét kontaktussal látjuk el. Ez a gyakorlatban úgy néz ki, hogy az oxidált felületen megnyitott ablakokon keresztül létrehozzuk a hátoldali teret eredményező diffúziót, és a felületet fémréteggel látjuk el. Így alakítható ki az ún. lokális hátoldali terű elrendezés, amely sok nagy hatásfokú konstrukciónak része, ahol a kontaktus- és az oxid-felület aránya kb. 4% az oxid javára. A napelem hatásfokát jelentősen csökkenti a homlokoldali fémezés árnyékoló hatása és soros ellenállása. Egy ötletes megoldással a fémezés vertikális kialakításúvá tehető. A felületet az előbbiekben említett nagy hatásfokú napelemcellákéhoz hasonlóan kémiai úton strukturálják. A keletkező apró piramisszerű kiemelkedések diffúz módon beborítják a teljes felületet. A félvezető anyagban lézerrel kb. 20µm széles és 100µm mély árkokat készítenek, majd az árkokat galvanikus úton fémmel töltik ki. A nagy keresztmetszetű kontaktusok miatt a soros ellenállásból származó veszteség jelentősen csökken, és javul a kitöltési tényező. Az ilyen módon készült napelemek hatásfoka nagy sorozatban eléri a 19%-ot. Ezt a cellatípust a szakirodalom ún. eltemetett kontaktusú cellaként (BC: buried contact) említi, amelynek felépítését a 2.6.4. ábra mutatja.

2.6.4. ábra. Eltemetett kontaktusű cella felépítése Az eltemetett kontaktusú cellakonstrukciónak a technológiája olcsó és egyszerű, mivel nem tartalmaz sem fotomaszk-technológiát, sem pedig vákuumpárologtatást. Az eljárást szabadalom védi, technológiája a nagy sorozatú gyártás lehetőségét kínálja.

48 2.6.2

Amorf szilícium napelem

Napelem nemcsak kristályos szerkezetű félvezető anyagokból készíthetők. Az amorf szilícium alkalmazását a napelem készítésben a rétegleválasztás technológiája és a rövidtávú rendezettség miatt megváltozott elektromos sávszerkezet és az ebből adódó nagyobb abszorpciós tényező indokolja. Az amorf anyagok specifikus tulajdonságai miatt az anyagszerkezeti és előállítási módjukról egy kicsit bővebben ejtünk szót. Az amorf anyagok igen előnyös tulajdonsága, hogy olcsó és egyszerű a technológiájuk, valamint nagyon jó az abszorpciós képességük. Ugyanakkor ezek az elektromos tulajdonságai (magas rekombinációs ráta) gyengébbek, ezért a belőlük előállítható napelemek hatásfoka is kisebb. Az amorf anyagokban hiányzik a hosszú távú rendezettség, és jellemző rájuk a belső feszültségből adódó telítetlen kötések létezése, ezért a sávszerkezet sem olyan egzakt, mint a kristályos anyagok esetében. Az amorf anyag sematikus képét a 2.6.5. ábra mutatja:

2.6.5. ábra. Hidrogén beépülése amorf szilíciumba A kristályos anyagokban található vezetési és vegyértéksávok olyan energiaállapotokat jelentenek, amelyek hullámfüggvényei az egész kristályra kiterjednek. Az amorf félvezetőkben olyan nagy a lokalizált állapotok száma, hogy a tilossáv eltűnik. Ennek ellenére mégis definiálhatunk egy kismozgékonyságú ún. pszeudo tilossávot (kb.: Wg = 1.7eV), mivel itt a vezetés csak az egyik állapotból a másikba való átugrással jöhet létre, ami kis töltéshordozó-mozgékonyságot eredményez. Az elektromos sávszerkezet képét a 2.6.6. ábra mutatja.

49

2.6.6. ábra. Amorf szilícium energiaállapot-sűrűségfüggvénye A napelemkészítésre használatos amorf szilícium tulajdonságai nem választhatók el az előállítás technológiájától. Az amorf szilícium tulajdonságai erősen függenek a leválasztás technológiájától, de abban mind megegyeznek, hogy a szabad kötéseket hidrogén segítségével kötik le. A hidrogént technológiától függően vegyület vagy H2 formájában juttatjuk a reakciótérbe, hogy azután beépüljön a leválasztott amorf anyagba. Ez az ún. α-Si:H. Abszorpciós képessége magas (α > 105 cm-1), így a látható tartományban elegendő igen vékony film (100 - 500 nm) az abszorpcióhoz. Ez a kevés anyagfelhasználás miatt költségredukáló hatású. A leválasztási hőmérsékletek alacsonyak (250 °C körüliek). Az eljárás előnye, hogy éles átmenetek hozhatók létre, valamint energiatakarékos technológia. Az ilyen szilícium könnyen adalékolható, és az optikai tilossávja nagy konverziós hatásfokot tesz elérhetővé. Az alapanyag a Si és a H2 korlátlanul rendelkezésre áll. Manapság ebből az anyagból készítik az egyik legnagyobb volumenben a napelemeket. Az amorf szilícium réteg leválasztásának gyakori módja a szilán (SiH4) bontása, ami különböző CVD eljárásokkal lehetséges. A legelterjedtebb amorf szilícium réteg előállítási technikát az ún. plazmával segített gőzfázisú kémiai lecsapatás (PECVD: plazma enhanced chemical vapour deposition vagy glow discharge) képezi. A rétegleválasztás során a technológiai paraméterek változtatásának függvényében hidrogén épül be a leválasztott amorf szilíciumba, megkötve a szabad kötéseket. Az amorf szilíciumból készülő napelem működésének alapja szintén a pn-átmenet. Az adalékolás a PECVD eljárás során p-típusú esetben diborán, n-típusú esetben foszfin

50 gáznak a reakciótérbe engedésével történik. Az egyik probléma, hogy az α-Si:H transzport tulajdonságai az adalékolás hatására (pl.: diffúziós úthossz) erősen leromlanak. Az amorf szilícium egy másik problémája a stabilitás, a hatásfok egy idő után degradálódik. A degradáció során az üresjárási feszültség konstans marad, a rövidzárási áram viszont csökken. A jelenség oka még nem teljesen tisztázott, de mindenképpen szerepe van benne a besugárzás hatására felszakadó Si-H kötéseknek. Az előbbi problémák miatt az α-Si:H alapú napelemeknél a pin-struktúra a szokásos, ahol a széles (0.5-0.7 µm) abszorpciós i intrinsic réteget vékony (kb. 50 nm) p+ ill. n+réteg veszi közre. Az abszorpció javarészt a jó minőségű i-rétegben történik, így a gerjesztett töltéshordozók még a rekombinálódás előtt eljutnak a p+ ill. az n+-rétegbe. Az i-rétegben lévő tér nemcsak a töltéshordozó-transzportot segíti, hanem a hatásfok időbeli romlását, azaz a degradációt is gátolja. Egy ilyen napelemstruktúrát mutat a 2.6.7. ábra. Az elektromos kontaktus üvegre felvitt átlátszó vezető oxid (TCO), többnyire indium-ón-oxid vagy óndioxid (SnO2).

2.6.7. ábra. Az amorf szilícium napelem felépítése A konstrukció hatásfoka javítható két egymásra integrált vékonyabb pin-struktúra segítségével, amellyel a nagyobb tér miatt a töltéshordozó párok szétválasztása lesz hatékonyabb. Egy ilyen struktúra antireflexiós réteggel ellátva (SnO2) elérheti a 13%-os hatásfokot. Mivel a degradáció az abszorpcióval arányos, ezért ezzel a struktúrával a stabilitás is növelhető. További lehetőség, hogy a technológiai paraméterek változtatásával a két egymásra épített α-Si:H struktúra tiltott sávja is változtatható. Az energiahasznosítás optimalizálása elérhető két egymásra integrált különböző tilossávú félvezetőből készült pn-átmenet segítségével is, ahol a felső anyag tilossávja 1.9eV körüli, az alsó pedig 1.2eV körüli. Ezt a struktúrát nevezik a szakirodalomban tandem-

51 szerkezetnek. Az egyik leggyakoribb tandem-cella az α-Si:H/α-Ge:H struktúra. Ezen anyagrendszer nagy előnye, hogy mindkét összetevő azonos PECVD technológiával állítható elő. Az üvegre felvitt vezetőoxidra (TCO) először amorf szilícium pinstruktúrát választanak le, majd amorf germánium pin-struktúrát. Az adalékolatlan αSi:H vastagságának kb. 500nm-nek, az α-Ge:H rétegnek pedig kb. 150nm-nek kell lennie. Egy ilyen struktúrával 15 mA/cm2 áramsűrűség érhető el. A hatásfoka 17%. Ilyen konstrukció felépítését mutatja a 2.6.8. ábra.

2.6.8. ábra. Tandem napelemcella felépítése Az amorf Si technológiának vitathatatlanul nagy előnye, hogy segítségével nem csak egyes cellák, hanem azok sorosan kapcsolt egész sorozata is előállítható in-situ módon. A hordozó üvegre először leválasztjuk az átlátszó vezető oxidot (TCO), majd ezt a réteget lézersugár segítségével átvágjuk a cellák méretének megfelelően. Erre kerül az amorf pin vagy tandem pin szerkezet. Ezt a réteget lézernyaláb segítségével újból strukturáljuk. Majd erre kerül a hátoldali fémezés (Al). Így sorba kapcsolt cellák jönnek létre. A kész napelemet mutatja a 2.6.9. ábra.

. 2.6.9. ábra. Sorbakapcsolt amorf napelemcellák 2.6.3

Kozmikus rendszerek (GaAs alapú heteroátmenetes igen nagy hatásfokú eszközök)

52 A kozmikus alkalmazások a napelemekkel szemben fokozott követelményeket támasztanak a megbízhatóság és az igen nagy hatásfok terén, a minél kisebb felület és jó sugárzásállóság mellett. Ezeket a követelményeket a GaAs és rokon félvezetők kielégítik. A GaAs direkt sávszerkezete és 1.4 eV tiltottsáv-szélessége magyarázza azt a tényt, hogy mindezideig ebből az anyagból készítették a legnagyobb hatásfokú napelemeket. További előnye, hogy a GaAs a kozmikus sugárzásokkal szemben ellenálló. Manapság szinte kizárólag ebből az alapanyagból készített napelemmel ellátott objektumokat bocsátanak fel a világűrbe. Az igen jó abszorpciós tulajdonságok pedig lehetővé teszik, hogy a felületet és az anyagfelhasználást minimalizálni tudjuk, ami ugyancsak előnyős a világűrben pályára állított tömeg szempontjából. Ezeket a tulajdonságokat csak erősíti a nagy injekciós szint elviselése, ami lehetővé teszi a fény koncentrálását és a méretek további csökkentését. A III-V vegyület-félvezetőkhöz tartozik a GaAs, mely a termelési volumen tekintetében ugyan nagyságrendekkel lemaradva, de a szilícium után következik. A GaAs-alapú eszköztechnológia nagyarányú fejlődését az elemi félvezetőkétől eltérő kedvező fizikai tulajdonságainak köszönheti. A legszembeötlőbb különbség a GaAs-ben a szilíciummal szemben a direkt sávszerkezet, mely a nagy valószínűségű sugárzásos rekombináció révén optikai felhasználást tesz lehetővé (pl.: LED, lézer), ill. a nagy abszorpciója és 1.4 eV-os tilossávja következtében ideális a napenergia konverziójára is. További fontos jellemzője

a

GaAs-nek,

elektronmozgékonysággal

hogy

rendelkezik

szobahőmérsékleten a

szilíciumhoz

közel képest,

hatszoros míg

a

lyukmozgékonysága kissé elmarad attól. Ezért a szilíciuménál nagyobb működési frekvenciájú mikrohullámú eszközök készíthetőek belőle. A GaAs további fontos tulajdonsága, ami szintén a sávszerkezetből adódik - egy tömbi jelenség - a Gunneffektus, amely a mikrohullámú tartományban rezgéskeltésre használható. Így tehát a GaAs alapú félvezető eszközök nem ismeretlenek a speciális katonai alkalmazásokban. Előny még más félvezetőkhöz képest a magasabb működési hőmérséklet, valamint a nagyobb átütési feszültség és a jobb sugárzásállóság. Egyre nagyobb szerepet játszanak a félvezető-kutatásban és technológiában a GaAs-en kívül további binér, ternér és kvaternér félvezető anyagok. Ezen anyagok heteroátmeneteit is használják eszközkészítésre. A GaxAl1-xAs az egyik legszélesebb körben alkalmazott háromkomponensű anyag az optikai és mikrohullámú eszközök

53 megvalósításában.

A

GaxAl1-xAs

népszerűségét

viszonylag

egyszerűbb

technológiájának és a GaAs-hez illeszkedő rácsszerkezetének köszönheti. Egy másik jellegzetes háromkomponensű anyag az InxGa1-xAs, melynek igen kedvezőek a tulajdonságai (mindig direkt sávszerkezet, nagy elektron mozgékonyság stb.). Hátránya a GaAs-hez nem illeszkedő rácsállandó. A vegyület-félvezetőknek az elemi félvezetőktől eltérő fizikai, kémiai tulajdonságaik miatt technológiája is eltér a Si technológiájától. A vegyület-félvezető rétegszerkezetek kialakításában meghatározó szerepük van a különböző epitaxiás eljárásoknak, melyek segítségével ezen rokon félvezetők heteroátmenetei előállíthatóak. Az egyszerű heteroátmenetes cellák hordozója egy kétkomponensű félvezető (pl.: GaAs), és az erre epitaxiálisan növesztett többkomponensű anyag. Az alkalmazások szempontjából - a technológia okán - az egyik leggyakrabban alkalmazott heteroátmenet a GaxAl1-xAs/GaAs rendszer. A sávdiszkontinuitások (elektronaffinitás, sávszélesség) összetételfüggő. A heteroátmenet lehet pn- és pin-struktúrájú.

2.6.10. ábra. Heteroátmenetes napelemcella Egy egyszerű heteroátmenetes cellát mutat a 2.6.10. ábra. Ilyen srtuktúrájú napelemekkel a különböző gyártók 31%-os hatásfokot is elértek. Egy 25.3%-os hatásfokú egyszerű pn-átmenetes GaAs napelem I-U karakterisztikáját és a kvantumhatásfokát a hullámhossz függvényében a 2.6.11. ábra koncentrátorelemekkel kiegészített cellával a 30% feletti hatásfok érhető el.

látható. A

54

2.6.11. ábra. GaAs napelemcella feszültség-áram jelleggörbéje és kvantumhatásfoka A cella felülete A = 0.25 cm2, üresjárási feszültsége Uü = 1.047 V, rövidzárási árama Ir = 7.116 mA, rövidzárási áramsűrűsége Jr = 28.47 mA/cm2, az MPP-ben a feszültsége Umax = 0.9191 V, ebben a munkapontban az árama Imax = 6.875 mA. A cella kitöltési tényezője φ = 84.78%, ezzel a hatásfoka η = 25.3%. A kvantumhatásfoka is igen jó, λ = 840 nm környékén közel 100%. Hasonlóan

elterjedten

használatos

az

InP

hordozóra

növesztett

Inx1Ga1-x1As/Inx2Ga1-x2As átmenetet használó cella. A többréteges cellák egy igen ígéretes fajtája a kvantumvölgyeket tartalmazó (MQW multi quantum well) napelemcella. Ezen cellatípus még kísérleti stádiumban van, de a működés elve és a magas 40% feletti hatásfok miatt a világűri alkalmazásoknak perspektivikus cellája. A tandem és többsávú napelemeknél különböző tilossávú anyagokat építenek egymás fölé, melyek az eltérő anyagok miatt fizikai és technológiai korlátai vannak. Az MQW napelem a változó tilossáv-szélességet kvantummechanikai effektussal oldja meg. Mint ismeretes, a potenciál-gödörbe zárt elektron csak diszkrét - a potenciál-gödör paramétereitől függő - értékeket vehet fel. A véges potenciálfal-magasságú gödörbe zárt elektron tartózkodási valószínűsége nem csak a potenciálgát-mentes térrészre korlátozódik.

A

kvantummechanikából

ismert

alagúthatást

kombinálhatjuk

a

potenciálgödörrel, ezáltal egy új effektust, a rezonáns tunnelezést hozhatunk létre, mely ennek az igen nagy hatásfokú napelemnek a működési alapját adja. A potenciál gödröket ill. gátakat a különböző tiltott sáv szélességű félvezetők egymásra építésével

55 hozhatjuk létre. Építhetünk akár két eltérő tilossávú félvezetőből különböző méretű potenciálvölgyek felhasználásával változó effektív sávszélességű napelemet. A GaAsénál kisebb (InGaAs) és a GaAs-énál nagyobb (GaAlAs) tilossávú félvezetőből felépített napelemstruktúrát mutat a 2.6.12. ábra.

2.6.12. ábra. Kvantumvölgyet tartalmazó napelem sávdiagramja A struktúrát egy pin-dióda intrinsic részében hozzák létre. A méretekre jellemző, hogy egy mikronon belül száz-körüli mennyiségben völgyeket hozhatunk létre. Ha a napelemet a p- és n-részén vezetjük ki, akkor a völgyek sorosan kapcsolódnak. A geometriát és az előfeszítést úgy kell megoldani, hogy a fotoáram a kedvező rezonánstunelezési állapotban folyjon, melyhez kismértékű nyitóirányú előfeszítés szükséges. Ha nem áll fenn ez az alagutazási állapot, akkor is könnyen folyhat áram, ugyanis a völgyben lévő elektronok termikusan könnyen aktiválódnak. A konstrukció előnye nemcsak az, hogy a potenciálgátak szélességével és távolságával az effektív sávszélesség

beállítható

(igen

soksávú

napelem),

hanem

a

rekombináció

minimalizálható, továbbá az üresjárási feszültség és a rövidzárási áram beállítható ill. az egyedülállóan magas hatásfok. Az MQW napelem srtuktúrájának előállítására csaknem kizárólag az MBE (molecular beam epitaxy) technológia alkalmas. Egy ilyen MQW napelem I-U karakterisztikáját mutatja a 2.6.13. ábra.

56 2.6.13. ábra. Kvantumvölgyet tartalmazó napelemcella feszültség-áram jelleggörbéje 2.6.4

A napelemkészítés egyes technológiai kérdései (epitaxia, diffúziós úthossz, rétegparaméterek)

A következőkben röviden áttekintjük a szilícium és GaAs-alapú fotovoltaikus eszközök technológiáját, azért, hogy érthetővé tegyük a különböző napelem-technológiákban rejlő fizikai, műszaki és gazdaságossági és megbízhatósági különbségeket. A kristályos szilícium napelemek és általában a legtöbb félvezetőeszköz kristályos félvezetőlapkán vagy más néven szeleten készül. Ezen szeletek előállítása, noha igen nagy volumenben készülnek, fajlagosan nagy energiaráfordítást igényel. A szilíciumot SiO2-ból ívkemencében szénnel redukálva magas hőmérsékleten állítják elő. A nyers szilíciumot 300°C-on sósavgázzal reagáltatva desztillációval tisztítják. Többszörös desztilláció után elektronikai célokra alkalmas polikristályos anyagot kapunk. A kristályos szilícium öntecset az olvadék szilíciumból oltókristály segítségével húzzák. A szegregáció révén a kristályhúzás során tovább tisztul az anyag. Az öntecset a húzás során a kívánt mértékben adalékolják. Az öntecsek átmérője 10.2 - 30.6 cm, hossza kb. 1 m. Ezeket az öntecseket gyémántvágóval kb. 1 mm vastag szeletekre vágják, majd mechanikai - kémiai polírozás után nyerjük az eszközkészítésre alkalmas 300 - 600 µm vastag szeletet. A Si-kristályban létrehozandó pn-átmenet ill. egyéb adalékolási inhomogenitás (pl.: kontaktusréteg, stb.) elsősorban diffúzióval történik. Az adalékanyagoknak (B, P, As, Ga stb.) a diffúzió során is elektromosan aktívnak kell lenni, ami csak akkor lehetséges, ha ezek a rácspontokba épülnek bele, azaz a diffúzió helyettesítéses típusú. A diffúzió ún. diffúziós kályhákban 800 - 1200 °C hőmérsékleten történik. A napelemkészítés egyik további lényeges lépése az oxidáció, amely szigetelés, passziválás, technológiaközi maszkolás célját szolgálja, vagy éppen antireflexiós rétegként szerepel. Az oxidréteg kialakítása történhet termikus oxidációval (ez lehet száraz vagy nedves), anódos oxidációval, gázfázisból történő kémiai leválasztással vagy katódporlasztással. A leggyakrabban a száraz és nedves oxidnövesztést alkalmazzák, amely ún. oxidáló kályhában 900 - 1200 °C-on történik.

57

A félvezetőeszközök külvilági kapcsolatát általában a fémezés jelenti. A fémezés lehet ohmos-jellegű vagy Schottky-átmenet. A fémet a félvezetőre vákuumpárologtatással, porlasztással lehet felvinni. Gyakran alkalmazott a vákuumpárologtatás, mert így a kontaktus előállításánál megfelelő rétegezés alakítható ki. Az erősen adalékolt emitter rétegre elektronsugaras porlasztással kb. 30 nm titánt visznek fel, ez jó ohmos és jól tapadó kontaktust ad a szilíciumon. Erre passziválás céljából kb. 50 nm vastagságban Ni-Pa kerül, majd erre 0.1 µm vastagságban Ag. Ezután következik 400 °C-os hőkezelés formálógázban. A p-típusú hordozó anyaghoz hátoldali ohmos kontaktusként igen alkalmas a felpárologtatott Al. A GaAs egykristályhúzás folyadékfázisból történik, az olvadék programozott hűtésével egy ún. oltókristályra kristályosítanak. Az oltókristály lassú húzása és forgatása közben hengeres öntecs készül a védőolvadékkal fedett (B2O3) GaAs ömledékből. A védőréteg a GaAs termikus bomlását, azaz az illékony arzénkomponens távozását akadályozza meg. Az eljárás előnye, hogy az öntecs metszete kör, hátránya a mechanikai feszültségből eredő viszonylag magas diszlokációsűrűség. A III-V-típusú vegyület-félvezetők legjellemzőbb technológiai lépése a különböző epitaxiás eljárások. A hőbomlás miatt az adalékolt rétegek előállítása diffúzióval csak partikuláris esetekben jön szóba. Helyette a különböző epitaxiás eljárásokat és az ionimplantációt alkalmazzák. A napelemkészítésben elsősorban a folyadékfázisú epitaxia (LPE: liquid phase epitaxy) a gőzfázisú epitaxiák (VPE: vapour phase epitaxy) közül az ún. fémorganikus eljárás (MOCVD: metal organic chemical vapour deposition) és a speciálisabb struktúráknál a molekulasugár epitaxia (MBE: molecular beam epitaxy) jön számításba. A folyadékfázis általában az alacsony olvadáspontú Ga ömledékben oldott félvezető anyag, ezt hozzák kontaktusba a félvezető hordozóval. Az olvadékot programozott módon hűtik, ami által a Ga-ban oldott félvezető epitaxiálisan kiválik a félvezetőlapkára. A növesztés hőmérséklete kb. 800°C. Az olvadék és a félvezetőlapka helyzetétől függően többféle növesztési elrendezés létezik

pl.: Nelson-féle, a

bemerítéses rendszerű stb. A multiréteges struktúrák növesztéséhez az ún. mozgó-

58 csónak technikát alkalmazzák. A grafittégelyben elhelyezett különféle ömledékeket programozott módon tolják a félvezetőlapka fölé. Az LPE viszonylag egyszerű eljárás, de termelékenysége kicsi, és csak kis felületek növeszthetők vele. Az LPE-rétegek a rétegtulajdonságok miatt különösen optikai felhasználásra alkalmasak. A gőzfázisú epitaxiás eljárásoknál az előállítandó félvezető anyag alkotóelemeit gáz formájában engedik be a reakciótérbe, ahol ezen alkotók a megfelelő hőprofilú reaktorcsőben elhelyezett hordozó felett termikusan bomlanak, redukálódnak és épülnek epitaxiásan a hordozókristályra. A vivőgáz többnyire hidrogén. Az MOCVD eljárás a gázfázisú epitaxiás módszerek egyik fajtája, ahol az alkotók fémorganikus vegyületek formájában kerülnek be a reakciótérbe. Az arzén forrása arzin, a III-oszlop elemei pedig trimetil-gallium, trimetil-indium, trimetil-alumínium stb. A leválasztás hőmérséklete 600 - 800 °C között van.

2.6.14. ábra. Gázfázisú epitaxiális berendezés vázlata Egy MOCVD berendezés elvi sémáját mutatja a 2.6.14. ábra. Az eljárás komoly biztonsági, életvédelmi intézkedéseket, berendezéseket igényel, mivel a reagens anyagok igen mérgezőek és robbanásveszélyesek. Előnye viszont, hogy ipari méretekben, jó minőségű rétegek állíthatók elő. A félvezető-kutatás egyik fontos iránya az alacsonydimenziós rendszerek felé fordult, amely

alól

a

napelem-kutatás

sem

vonhatja

ki

magát.

Számos

újfajta

napelemkonstrukció tartalmaz többszörös kvantum völgy struktúrát (MQW). E struktúrák létrehozásának feltétele az igen vékony (néhány rácsállandónyi) rétegek kézben tartott előállítása. Ez gyakorlatilag csak a molekulasugaras epitaxiás technológiával valósítható meg. Az MBE rétegnövesztés vákuumtérben történik. A félvezető-hordozó szabályozottan fűthető mintatartón helyezkedik el. A leválási hőmérséklet 400 - 550 °C körül van. A mintatartóval szemben helyezkednek el a

59 molekulaforrások,

melyek

hőmérsékletének

változtatásával

a

molekulafluxus

változtatható. Az előző módszerekhez képest az MBE eljárás több előnnyel rendelkezik. Az alacsony leválási hőmérséklet nem segíti a hibahely-generálódást és csökkenti a rétegek közötti diffúziót is. A metalorganikus rendszerek veszélyességét korlátozza a felhasznált kis anyagmennyiség és az alacsony hőmérséklet. A GaAs és rokon vegyületek eszköztechnológiájában lényeges eltérés a Si alapú technológiától, hogy a SiO2-dal ellentétben a GaAs oxidja eszköztechnológiában nem használható. A III-V-típusú anyagoknál Si3N, Al2O3, SiO2 stb. jöhetnek számításba dielektrikumként és passziváló rétegekként. A rétegleválasztás lehetséges módja a plazmával segített szárazkémiai eljárás (PECVD). A vegyület-félvezetők ohmos kontaktusainak kialakítása komplikáltabb, mint az elemi félvezetők esetében. Itt többrétegű fémezésre, majd azt követő hőkezelésre van szükség. Ohmos kontaktus kialakítása n-típusú anyagon Au-Ge-eutektikum kialakításával történik. Az ötvözés után védőréteg kerül a kontaktusra (pl.: Ni vagy Cr), majd a bondolást megkönnyítendő vastag Au réteg. A Schottky-átmenet létrehozásához Cr-Au vagy Al, Ti, Pt, Pd, W, W vegyületek stb. használhatók. A TCO is egyfajta kontaktus a félvezetőn. Egy ilyen lehetséges perspektivikus anyag GaAs-on és InP-on az ITO.

60 2.7

Fotoelektrokémiai napelemek

A fényenergia konverziója elektromos energiává nemcsak félvezető - szilárdtest átmenettel, hanem félvezető - elektrolit átmenet segítségével is lehetséges. Az elektrolit a félvezetőn átlátszó, Schottky - jellegű kontaktust hoz létre, ahol a határfelületen fotoelektrokémiai reakció is létrejön. Az elektrolit - félvezető átmenettel azonban nem csak elektromos energia, hanem vízbontás segítségével hidrogén is fejleszthető, ami tüzelőanyag cellában elégetve ugyancsak elektromos energiához vezet. A hidrogén hosszabb távon gyakorlatilag veszteségmentesen tárolható. Ezzel egy súlyos probléma, az energiatárolás látszik megoldódni. Igen intenzíven kutatott terület a fotoelektrokémiai cellák témája. A fényenergia foto-elektrokémiai átalakítása elektromos energiává ill. tárolható kémiai energiahordozóvá (hidrogén) három lépésben történik. Az első lépés elektron gerjesztése alapállapotból foton abszorpciója által. Ez történhet félvezető segítségével, de fotoérzékeny elektrokémiai reakció útján is. A második lépés a töltéshordozó párok elektromos erőtér általi szétválasztása. Végül az elektron ill. az elektronhiány energiája az elektrolitban lévő molekulák redukciója ill. oxidációjaként hasznosul. A töltés szétválasztásához szükséges elektromos erőtér nemcsak különböző kilépési munkájú szilárdtest - félvezető határfelületen jöhet létre, hanem elektrolit - félvezető határfelületnél is. Ha a félvezetőt napfénnyel gerjesztjük a kis tiltott sávszélességű félvezetőknél (pl.: Wg(Si) = 1.1 eV) a napfény abszorbeált hányada nagy, de elektrokémiailag kevés hasznosul, míg a nagy tilossávú anyagok (pl.: Wg(TiO2) = 3.2 eV) esetén az abszorpció az alacsonyabb. A fotóenergia megfelelő hasznosulásához és a határátmeneten elegendő elektromos tér kialakulásához fontos az alkalmas tilossávú félvezető és alkalmas redoxpotenciálú elektrolit megválasztása. Ha a félvezető n-típusú, akkor a generált töltéshordozó párok közül a kialakult elektromos tér hatására az elektronok a félvezető anyag belsejébe, a lyukak pedig a határátmenet felé sodródnak. A p-típusú anyag esetén az ellentétes irányú tér hatására ellentétes irányba haladnak a gerjesztett töltések. A határátmenetnél töltésátlépés történik a redoxi rendszerbe. Majd az n-típusú esetben oxidált, a p-típusú esetben redukált molekulák eldiffundálása a felületről. A töltésátlépés addig tart, amíg beáll az egyensúly. Ekkor a félvezető és az

61 elektrolit között fotofeszültséget mérhetünk, amely áramkörbe kapcsolva elektromos energiát szolgáltat. Az energiakonverzió akkor működik tartósan, ha a redoxi rendszer regenerálódó, azaz a félvezetőn oxidálódott vagy redukálódott rendszer a fémelektródán visszaredukálódik ill. oxidálódik. A félvezető - elektrolit határfelületen fellépő fotokorrózió ezeknek a celláknak az egyik legnagyobb problémája. Az 1.5 eV körüli nagy hatékonyságú félvezető elektródok erősen korrodálnak, míg a 4 eV körüliek, melyeknek kisebb a hasznosításuk, stabilak e korróziófajtával szemben. Megfelelő elektrolit választásával a korrózió redukálható, mégpedig oly módon, hogy a keletkező korróziós termék egyensúlyban legyen a félvezetővel, azaz a redoxpár könnyen oxidálható legyen. A probléma n-típusú félvezetőre, ún. oxidatív korrózióra megoldott, az így készült cellák stabil működésűek. A p-típus esetén a stabilitás nem megoldott. A redukció során a félvezetőn képződő fémréteg megváltoztatja a viszonyokat. A félvezető - elektrolit átmenet félvezető - fém átmenetté válik. Mint már említettük, az átmenettel fotoenergia hatására nemcsak elektromos energia nyerhető, hanem hidrogén is fejleszthető. Ehhez arra van szükség, hogy a fotofeszültség nagyobb legyen, mint az elektrolízishez szükséges feszültség. Ez több mint a vízbontáshoz szükséges 1.23 V. A túlfeszültségnek le kell győznie a körben lévő átmenetek ellenállását, fenn kell tartania a körben az áramot. Az átmeneten fennálló töltésszétválasztó erőtér miatt mintegy 0.5 V-tal kisebb a fotofeszültség, mint az a tilossávból következne. Az elektrokémiai cella - eltérően a gyakorlatban megszokott félvezetőeszközöktől folyékony halmazállapotú komponenst is tartalmaz, ezért a cella felépítése eltérő a szokásos félvezető eszközökétől.

2.7.1. ábra. Drótháló - ellenelektródás elektrokémiai napelem felépítése

62 A 2.7.1. ábra az ún. drótháló - ellenelektródás elektrokémiai napelem konstrukcióját mutatja. A cella alján lévő áramgyűjtő fémhordozón van a reá leválasztott félvezető elektróda anyag. Efelett van a drótháló-ellenelektróda, és felette a záró üvegfedés. Az üveg és a félvezető közötti teret elektrolit tölti ki. A konstrukció optikai veszteségeit az átmeneteken létrejövő reflexiók (levegő - üveg, üveg - elektrolit, elektrolit - félvezető) az üvegben és az elektrolitban történő abszorpció és az ellenelektródán történő szóródás okozza. A GaAs, amint ez várható is, alkalmas elektrokémiai cella készítésre. Az n-GaAs -2

fotokorróziója stabilizált. A korrózió mértéke (Se2 /Se

-2

redox-pár esetén) néhány

mikron évente. Az elektrokémiai GaAs-cella hatásfoka 15% körüli érték, üresjárási feszültsége kb.1.2 V. Hasonló üresjárási feszültségű, de nagyobb hatásfokú cella készíthető CdSe ill. CdS-ből. Lehetséges félvezetőelektród-anyag az 1.78 eV tilossávszélességű WS2. A fotokonverzió hatásfoka erősen függ a félvezető réteg felületi morfológiájától. A volframdiszulfiddal rokon félvezetők, úgy mint a WSe2, MoS2, MoSe2 szintén alkalmasak félvezető-elektródának. Elektródaként szóba jöhetnek a kettőnél több komponensű félvezetőanyagok is mint pl.: CdSe0.7Te0.3 és a Cd4GeSe6. Az elektrolitikus napelemcella egy speciális fajtája a festékérzékenyített konstrukció. A festékérzékenyített, vagy az elv felfedezője után Grätzel-cellának nevezett konstrukció alapja egy optikailag gerjeszthető ruténium-alapú festékanyag. Az újfajta konstrukció szerint a transzparens vezetőoxiddal (TCO) ellátott üvegre visznek fel porózus TiO2-ot. Erre a nagy felületű struktúrára viszik fel a fényt abszorbeálni képes festéket. Az áramkört a jodid-alapú elektrolit és az azt befedő szintén TCO-dal borított üveg zárja. A konstrukciót a 2.7.2. ábra mutatja.

2.7.2. ábra. Festékérzékenyített elektrokémiai napelem

63 Az igen nagy felületű porózus TiO2-ot (az ábrán a gömbök) fedő festék (az ábrán a gömböket borító szőrszerű vonalkák) abszorbeálja a fényt. A felület több mint ezerszerese a sima felületnek, ezért az abszorpció gyakorlatilag teljes. A réteg néhány µm vastagságú. A gerjesztés hatására az elektronok aktiválódnak a festékben. Ez az

energiaállapot magasabban van, mint a TiO2 vezetési sávja. Az elektronok a festék gerjesztett sávjából a TiO2 vezetési sávjába injektálódnak. A gerjesztett elektronok hasznosulásához az injektálódásnak gyorsabban kell létrejönnie, mint a festékben kialakuló rekombinációnak. A mai Grätzel-celláknál az injektálódás mértéke 90%. A napelem hatásfoka pedig 10% körüli. A struktúra igen egyszerű technológiát igényel. Nincs benne drága vákuumpárologtatási-, tisztatéri- és magas hőmérsékletű eljárás. Ez az ígéretes konstrukció egyelőre kísérleti stádiumban van9. A többkomponensű anyagok között említett Cd4GeSe6 elektróda különösen figyelemre méltó az elektrokémiai cellák szempontjából, hiszen igen nagy polarizáció esetén sem mutatkozik korrózióra utaló jelenség. Ezt az anyagot híg kénsavoldatban vizsgáltuk. Ahhoz, hogy elektronikus eszközt, azaz napelemet készítsünk az elektrolit/Cd4GeSe6 átmenetből vizsgálnunk kell az átmenet tulajdonságait. Az átmeneten lejátszódó töltésátlépések, kémiai reakciók vizsgálatának leghatékonyabb módszere az impedancia analízis. Impedancia analízis segítségével felállítottunk egy fizikai tartalommal rendelkező helyettesítő képet. A helyettesítő képre az eszközkészítés során is szükségünk van. A mérést potenciosztatikus kapcsolásban végeztük, ahol a referencia elektródánk ún. telitett higanyos elektróda volt. Az analízist nullától 45.5 kHz-ig végeztük. A mérő jel amplitúdója néhány mV volt.

2.7.3. ábra. Fotoelektrokémiai napelem félvezető-elektrolit átmenetének a villamos helyettesítő képe

64 A modellezéshez használt helyettesítő képet a 2.7.3. ábra mutatja, ahol C3 az átmenet tértöltés kapacitása, R1 az átmeneten áthaladó töltéstranszfert reprezentálja, míg a R2C2 tag a félvezetőben és az elektrolitban lévő mélyszinteket és egyéb elektromos állapotokat jellemzi valamint az átmenetnél lévő

felületi állapotokat. A mérési

eredmények kiértékeléséhez egy számítógépes programot írtam. A helyettesítő képünk szerinti hálózatnak három gyöke, azaz egy zérusa és két pólusa van. A gyökök illesztése a legkisebb négyzetek módszerével történt. A hibaminimalizálás gradiens módszerrel történt. Az átviteli függvény konstansát hasonló módon az amplitúdó-diagramból határoztam meg.

2.7.4. ábra. Fotoelektrokémiai napelem félvezető-elektrolit átmenet impedanciájának a frekvenciamenete A mérési eredményekre illesztett amplitúdó- és fáziskarakterisztikákat a 2.7.4. ábra mutatja, ahol az illesztés során a helyettesítő kép elemértékeire a következő értékeket 2

2

kaptam. A tértöltés-kapacitásra 0.9 nF/mm , a töltésátlépési ellenállásra 5 kΩ/mm a 2

2

soros R-C tagra pedig 1.7 kΩ/mm és 1.5 nF/mm adódott10,11,12.

65 2.8

Következtetések

A korábban gyártott amorf szilícium napelemek kis hatásfokuk és viszonylag gyors öregedésük miatt katonai alkalmazásra nem jöhettek szóba. A gyártástechnológiájuk napjainkra kiforrott, szilícium-szilíciumvegyület struktúrával a napelem tulajdonságai közelítenek a többrétegű eszközéhez, így a hatásfokuk nagyobb lett és a megbízhatóságuk is javult. Várhatóan a közeljövőben elkezdődik a CuInSe amorf napelemek hazai gyártása, amelyeknek az ára nem magasabb, mint a szilíciumból készült eszközé, ugyanakkor a hatásfoka kétszer akkora. A kristályos szilíciumból készült napelemeknek igen jó a megbízhatóságuk, és a hatásfokuk is elérheti a 25%-t. Az áruk is magasabb, ezért csak kevés helyen lehet gazdaságosan használni. A legjobb műszaki tulajdonságokkal a vegyület-félvezető napelemek rendelkeznek, az igen magas áruk miatt azonban gyakorlatilag csak a kozmikus felhasználás kerülhet szóba. Azonos elektromos teljesítményt nyújtó amorf - kristályos szilícium – vegyület-félvezető napelemek ára durva közelítéssel úgy aránylik egymáshoz mint 1:20:200. A technológia fejlődése az árarányokat jelentősen megváltoztathatja. Az

elektrokémiai

napelemekkel

elérhető

hatásfok

már

most

meghaladja

a

legelterjedtebb amorf napelemekét. Ez a sokat ígérő napelemfajta az elektromos kapcsok lezárásától függően képes elektromos teljesítményt vagy hidrogént szolgáltatni. A jelenlegi típusok hosszúidejű stabilitása még nem éri el a szilárdtest napelemekét, a fejlődése azonban sok bíztató jelet mutat. A nem is olyan távoli jövőben ezzel a napelemtípussal is számolni kell a katonai alkalmazások során.

66

3 3.1

A napelemek katonai alkalmazásai Telepítés és energiatárolás

A napelemmodulok által szolgáltatott elektromos teljesítmény nagymértékben függ a modul helyzetétől. Mozgó járműre szerelt eszköz estében az elhelyezésre nézve meglehetősen szűk a tervező mozgástere, legfeljebb az optimálist legjobban közelítő pozíciót választhatja. Álló napelemmodul esetén érdemes alaposabban megvizsgálni, hogy hogyan hat a modul helyzete a leadott teljesítményre. Ha Nap járására gondolunk, akkor láttuk, hogy a Földről nézve bonyolult pályát ír le. Szigorúan véve fixen szerelt modul csak az év két pillanatában van optimális helyzetben. Más pozíciót kell választani akkor, ha az év folyamán egyenletesebb teljesítményszolgáltatást várunk a napelemtől és megint mást akkor, ha a kapott éves energiát akarjuk a lehető legnagyobb értékre emelni. Ha az akarjuk, hogy a téli napforduló napján legyen optimális a modul helyzete, akkor a síkját a vízszinteshez képest φ+23.5º-ra kell emelni és dél felé fordítani, ahol φ a földrajzi szélesség. Ugyanez az érték -23.5º a nyári napforduló idején és φ a tavaszi ill. őszi napéjegyenlőség napján. Általában ehhez közeli értéket szokás választani, pl. hazánkban a napelemek dőlése tipikusan 45º (φBudapest= 47.5º). Szerencsére a napelem által leadott teljesítmény nagysága nem túlságosan érzékeny a pozicionálásra.

3.1.1. ábra. Az optimális telepítési iránytól való eltérés hatása

67 Az 3.1.1. ábra az optimális iránytól való eltérés következményeit mutatja13. Bár a grafikon a németországi viszonyokat szemlélteti, a levont következtetések a hazai viszonyok között is jól használhatók. A vízszintes és a függőleges tengelyen a napelemmodul síkjának a dőlésszögét ábrázolták a vízszinteshez képest. A negyedkörök az azonos dőlésszögű pontokat kötik össze, míg a vastag görbék az azonos energiájú pontokat. Az értékeket az optimális pozícióban nyerhető energia százalékában adják meg. Látható, hogy az optimális pozíciótól való jelentős eltérés esetén is a nyert energia mindössze 5%-al csökken. Ködös vidékeken az optimális déli iránytól eltérve nyugati irányba elforgatva érdemes a modulokat telepíteni, mivel a reggeli köd csak a délelőtt folyamán szakadozik fel és ekkor a leadott teljesítmény is kisebb. Joggal vethető fel a kérdés, hogy érdemes-e úgy elkészíteni a napelemmodul állványát, hogy a modul a Nap pályáját követve mindig a legkedvezőbb irányba álljon. Az 3.1.2. ábra mutatja az energiaviszonyokat akkor, ha a követés két tengely körül elfordulva történik.

3.1.2. ábra. Mozdulatlan és követő napelemmodul teljesítménye A szürke terület arányos azzal a többletenergiával, amelyet a követés révén nyerünk. Érdemes közelebbről megvizsgálni, mennyi ez a többletenergia. Az 3.1.3. ábra a modulra jutó éves energiát mutatja a besugárzott energia függvényében. Az ábrán feltüntettük néhány földrajzi helyen a besugárzott energiát. Többé-kevésbé ez

68 az energia északról dél felé haladva nő. Az alsó egyenes a mozdulatlan napelemmodulra eső energiát, míg a felső egyenes a kéttengelyes követő rendszerre telepített modulra jutó energiát mutatja. Kis besugárzott teljesítmény esetén a többletenergia – a két egyenes közötti függőleges távolság – nem jelentős, de az egyenlítő felé közelítve a többletenergia egyre nő.

3.1.3. ábra. A követő napelemmodul teljesítménynövekménye a földrajzi szélesség függvényében A Nap követésével többletenergiához jutunk, ugyanakkor hátrányok is jelentkeznek. A mozdulatlanul telepített napelemmodul tartója egyszerű, helyesen méretezve, megépítve és telepítve gyakorlatilag nem hibásodik meg, a napelem által megtermelt energiát teljes egészében leadja. Ezzel szemben a követőrendszer mozgó alkatrészeket tartalmaz, mozgatásához

energiát

igényel,

ezért

elveszítjük

a

mozdulatlanul

telepített

napelemmodul legfőbb előnyét, a megbízhatóságot. A számítások azt mutatják, hogy Európában

az

igényelt

energiamennyiség

megtermeléséhez

-

gazdasági

és

megbízhatósági szempontokat figyelembe véve - célszerűbb a napelem felületének a növelése, mint a követő rendszer építése. A napelem telepítése során ügyelni kell arra, hogy közelben lévő tárgy az év folyamán sohase vessen árnyékot a napelemekre. A modul tárgyalása során láttuk, hogyha a sorbakapcsolt napelemek közül csak egynek is csökken a besugárzott felülete, akkor valamennyi napelemnek az eredő teljesítménye csökken. Hasonló a helyzet akkor is, ha beszennyeződik a felület. A tapasztalat azt mutatja, hogy nálunk a szennyeződést taszító

69 felület tisztítására elegendő az eső, külön tisztításra nincs szükség. Más a helyzet esőszegény vidéken, itt a felület tisztításáról külön kell gondoskodni. Amint azt már korábban láttuk, a napelem hatásfoka a hőmérséklet növekedésével csökken. Erős napsütésben a napelem akár 80 ºC-ra is felmelegedhet, ahol már a hatásfok csökkenése jelentős nagyságú lehet. Feltehető a kérdés, hogy érdemes-e vízzel hűteni a napelemeket és ezzel melegvizet termelni. A vélemények megoszlanak, van, aki azt mondja, hogy a melegvíz az ő számára 60 ºC-nál kezdődik, és kár a napelem hőmérsékletének 10-20 ºC-os csökkentése érdekében elbonyolítani a rendszert. Mások szerint megéri akkor, ha az elektromos energiatermeléstől függetlenül egyébként is szükség van melegvízre. A rendszert úgy is meg lehet építeni, hogy a napelem csak előmelegíti a vizet, és a végső hőfokra napkollektor vagy hagyományos melegítő berendezés emeli a vizet. A megtermelt és az igényelt teljesítmény a legritkább esetben egyezik meg egymással. A kiegyensúlyozott működés érdekében szükség van arra, hogy a többletteljesítményből származó energiát tároljuk, illetve szűkös időben a hiányzó teljesítményt az energiatárolóból vegyük ki. A hagyományos elektromos energiatároló az akkumulátor, amelyet a napelemek áramgenerátoros jellegét kihasználva egyszerű esetben közvetlenül, célszerűen inkább félvezetős töltőáramkörön keresztül töltünk. Bár az akkumulátorok az utóbbi időben rohamosan fejlődnek, de azért mindmáig megmaradtak nehéz, nagyméretű és figyelmet igénylő alkatrésznek. Az energiatárolás új útját jelöli ki, ha az energiatárolást hidrogén tárolásával oldjuk meg. A vizet a napelem áramával oxigénre és hidrogénre bontjuk, és a keletkező hidrogént tároljuk. A keletkezett termékek nem szennyezik a környezetet, a hidrogén tárolása gyakorlatilag veszteségmentesen megoldható. Szükség esetén a hidrogént tüzelőanyag-cellában elégetve nyerhetünk elektromos energiát. A hidrogént előállíthatja közvetlenül a napelem is. Láttuk az elektrokémiai napelemek tárgyalásánál, hogyha a napelem forrásfeszültsége meghaladja a víz bontási feszültségét (1.23 V), akkor az elektrolit elbomlik, és többek között hidrogén keletkezik. A félvezető-elektrolit átmeneten mérhető feszültség a megvilágítástól és a kapcsok

70 terhelésétől függ, így a napelem szabályozza önmagát, a levett elektromos teljesítmény fölötti rész végez elektrolitbontást. Ha a napelemes rendszer az elektromos hálózattól nem függetlenül működik, akkor kézenfekvő az energiatárolás megvalósítása. A megtermelt többletteljesíményt be kell táplálni a hálózatba, természetesen mérve és elszámolva a hálózat üzemeltetőjével, míg ha a napelem nem szolgáltat elegendő teljesítményt, akkor a szükséges többletet a hálózatból vételezzük. Sok országban a törvény kötelezi a szolgáltatót, hogy bármilyen kismennyiségű, megújuló energiaforrásból származó energiát hatósági áron átvegyen. Hazánkban csak 2002-ben született meg a „Az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia átvételének szabályairól és árainak megállapításáról.” című 56/2002. (XII. 29.) GKM rendelet, amely foglalkozik többek között a napenergia hasznosításával értékesítésre termelt villamos energia átvételével. Eszerint a közüzemi nagykereskedő nem tagadhatja meg a felajánlott energia átvételét, ha a villamos energia átadási teljesítménye 0.1 MW-nál nagyobb. A rendelet az átvételi árat is szabályozza. Az értekezésnek nem feladata, hogy szakmailag bírálja a rendeletet, de a 100 kW-os teljesítményhatár gyakorlatilag kizárja az

átvehető

energiafajták

közül

a

napelemekből

származót,

hiszen

ilyen

nagyteljesítményű napelemrendszer nem fog egyhamar üzemelni, az egyéni napelemes rendszerek pedig eleve kisebbek. Csak reméljük, hogy a törvényhozók előbb-utóbb észreveszik a rendelet felemás voltát és végül egy gyakorlatban is használható szabályozás születik.

71 3.2

Alegységek napelemes energiaellátása

A 21. század katonája minden eddiginél több elektronikus eszközzel van felszerelve, kézi vagy hordozható rádióval, számítógéppel, GPS-sel, éjjellátó célzóberendezéssel, saját-idegen felismerő készülékkel stb. A több elektronikus eszköz megnöveli a katona és az alegységek energiaszükségletét, amelyet mind nehezebb kielégíteni. A csapatok veszélyeztetettségét csökkenti, ha energiaellátási gondjaikat hálózattól és utánpótlástól függetlenül meg tudják oldani. A megoldás egyik kézenfekvő módja a napelemek alkalmazása (3.2.1. ábra).

3.2.1. ábra. Tábori körülmények között üzemelő napelem A tábori körülmények között is megfelelően működő napelemeknek sokkal szigorúbb követelményeket kell kielégíteniük, mint polgári társaiknak. Szélsőséges időjárási viszonyok mellett nagyobb mechanikai igénybevételeket is károsodás nélkül el kell viselniük és közben az elvárt teljesítményt megbízhatóan szolgáltatniuk. A szokásos, üveg hordozóra vagy üveg fedőlappal ellátott monokristályos napelemek ilyen célra szóba se jönnek. A katonai célra készült, tábori napelemeket vékony saválló fémfólia hordózóra viszik fel. Több, rendszerint három amorf szilíciumréteg alkotja a napelemet, a rétegeket a hatásfok növelése érdekében a látható fény tartományában különböző hullámhosszakra optimalizálják. A kész napelemet UV fénynek ellenálló polimer műanyagba tokozzák rugalmas hátlappal, így a kész napelemet le lehet ejteni, rá lehet lépni anélkül, hogy

72 károsodna14, sőt, kézifegyverből átlőve is működőképes marad, igaz, hogy a csökkentett felületnek megfelelően csökkentett teljesítményt szolgáltat. A katonai célú napelemek jellegzetes kápviselője az UNISOLAR termékcsalád15 (3.2.2. ábra).

3.2.2. ábra. Tábori használatra készült napelem A különböző napelemek adatait a 3.1. táblázat foglalja össze: 3.1. táblázat UNI-PAC 10 UNI-PAC 10 UNI-PAC 15 UNI-PAC 30 12 V 24 V 12 V 12 V Névleges teljesítmény [W]

10.5

10.5

15.8

30.0

Névleges feszültség [V]

17.6

35.2

17.6

17.6

Névleges áram [A]

0.6

0.3

0.9

1.7

Üresjárási feszültség [V]

26.0

51.9

26.0

26.0

Rövidzárási áram [A]

0.74

0.37

1.11

2.1

Tömeg [kg]

0.95

0.95

1.46

2.12

Méret (HxSzxM) [mm] (összehajtva) Ár $

250x130x50 250x130x50 250x130x65 420x180x50 417

417

529

629

Az UNI-PAC 10 két változata között csak annyi a különbség, hogy a két félre osztott modulrészt sorosan vagy párhuzamosan kapcsolják. Valamennyi napelemcella védődiódával van ellátva, így ha egy cella árnyékba kerülne is, a modul továbbra is ugyanazt az áramot szolgáltatja, igaz, kisebb feszültség mellett.

73 A Magyar Honvédség katonáinak a személyi elektronikai eszközökkel való ellátottsága még nem éri el a kívánatos mértéket. Prognózisok szerint a Magyar Honvédség 2010-ig éri el a jelenlegi mutatók 2…. 5-szörösét jelentő NATO-szinteket. Jelenleg a kézi és a hordozható rádiók beszerzése van folyamatban, a tendert 2002-ben írták ki. A szállítandó rádió táplálásával összefüggő követelményeket a 4. sz. melléklet tartalmazza. Mivel a tender még nincs lezárva (2003. február), ezért csak becsülni lehet a majdani rendszerbe

állított

rádió

teljesítményigényét.

Az

előírás

szerinti

1/1/8

adás/vétel/készenlét arány mellett 25W teljesítményfelvétellel számolva (adáskor) a várható energiaigény 24 órára nem haladja meg a 100 Wh-t. Ezt a napi energiát egy 30 W-os napelemmodul várhatóan képes szolgáltatni. Legfeljebb csak közelítő becslést lehetne adni arról, hogy néhány év múlva a magyar honvédnek mekkora lesz az elektromos energiaigénye. A személyi számítógépek, személyi kommunikációs, híradó, felderítő, helyzet-meghatározó, éjjellátó eszközök összes teljesítményfelvétele nem azonos az egyes eszközök névleges teljesítményének az összegével, hiszen a honvéd egyidejűleg nem használja valamennyit. Különösen igaz ez az állítás kis alegység esetében, mivel adott (pl. helyzet-meghatározó) eszközből csak egyet kell működtetni. Ekkor viszont kedvezőtlen fényviszonyok mellett is biztosítani lehet az alegység energiaigényét, ha a katonák felszereléséhez tartozó napelemet közös töltőhöz csatlakoztatjuk. Javasolom univerzális intelligens akkumulátortöltő kifejlesztését és rendszeresítését az alábbi jellemzőkkel: Bemeneti oldal: Az intelligens töltő 3 bemenettel rendelkezzen: •

Váltakozó feszültségű bemenet hálózati táplálásra. A töltő teljesítse az előírásokat 180 V és 250 V között változó tápfeszültség esetén, miközben a váltakozó feszültség periódusszáma 45 Hz és 55 Hz között változik.

•

Egyenfeszültségű bemenet. A töltő teljesítse az előírásokat, ha az egyenfeszültség

10 V és 30 V közé esik.

74 •

Napelem bemenet. A töltőre csatlakoztatni lehessen tetszés szerint 1-8 db napelemmodult. A töltő valamennyi napelemet a MPP-ben működtesse.

A töltő károsodás nélkül viselje el, ha több bemenetet egyszerre csatlakoztatunk rá. Kimeneti oldal: A töltőre 1-8 db. akkumulátort lehessen csatlakoztatni. A töltő kimenete legyen rövidzár- és túláramvédett. A töltő ismerje fel a behelyezett akkumulátor állapotát, és ennek megfelelően töltse, a töltés végén váltson csepptöltésre. Az akkumulátor tetszés szerinti ideig maradhasson a töltőben károsodás nélkül. A töltő jelezze, ha az akkumulátor fel van töltve. A kimeneti és a bemeneti oldal galvanikusan legyen elválasztva, a bemenetek egymástól is. Jelezze ki, hogy a töltőkapacitás hány %-ban van kihasználva.

75 3.3

A

Járműkövető rendszer működtetése napelemes táplálással16

közlekedési

biztosítás

hatékony

megszervezéséhez

és

működtetéséhez

elengedhetetlen a közlekedési szolgálathoz tartozó szaktechnikai eszközök pillanatnyi helyének és mozgásuk irányának az ismerete. A HM EI Rt. kifejlesztett és üzembe helyezett több NAVSTAR GPS alapú járműkövető rendszert. Ezek a rendszerek alapvetően járművekbe épített egységekből és járműfelügyeleti központból állnak. A járműbe épített egységek és a központ között kommunikációs kapcsolat szükséges, amely a leggyakrabban a GSM hálózat segítségével jön létre. (Egyéb kommunikációs eszköz, Pl. URH rádió, vagy infra adóvevő is alkalmazható.) A járműbe épített egységek tápfeszültséggel való ellátása a jármű elektromos rendszeréről, elsősorban a jármű akkumulátoráról történik. Egyes alkalmazásokban, elsődlegesen biztonsági távfelügyeleti rendszerekben, a járműbe épített egység saját akkumulátorral is rendelkezik, de ez csak néhány órán át biztosítja az egység önálló működését. Olyan alkalmazás estén, ahol nem megoldható a követendő eszköz energia ellátó rendszerére való csatlakozás, ott új megoldást kell kidolgozni. A járműbe épített eszközök fogyasztása alapvetően függ a rendszerrel szemben támasztott követelményektől. A maximális fogyasztás akkor várható, amikor folyamatosan szükség van a pozíció meghatározására (a GPS modul folyamatosan működik), és a járműre, valamint a pozíciójára vonatkozó információt gyakran szeretnénk eljuttatni a központba (a kommunikációs eszköz gyakran van adás állapotban). Ez lényegében a folyamatos követés, másodpercenként frissített pozícióval, amely kb. 200 – 400 mA állandó áramfogyasztást igényel 12 V-ról. A minimális fogyasztás akkor várható, ha alapállapotban a járműbe épített rendszerelemek ki vannak kapcsolva, és csak valamilyen időintervallum elteltével, vagy kijelölt események bekövetkezésekor kapcsolódnak be. A GPS pozíció adatok meghatározása a bekapcsolást követően 1-2 percet igényel, és a definiált kommunikáció befejezését követően az eszközök automatikusan kikapcsolódnak. Ez az üzemmód a

76 kikapcsolt állapotban 10 mA alatti áramfogyasztást igényel 12 V-ról. A gyakorlati életben a két véglet és a közbülső értékek is előfordulnak. A fenti energia igény biztosítása történhet egy külön erre a célra rendszeresített akkumulátorról, vagy valamilyen energiatermelő eszközről. Az akkumulátor alkalmazásakor egy adott méretű és súlyú egység elhelyezéséről kell gondoskodni (Pl. 65 Ah / 12 V; 200 x 200 x 400 mm, 25 kg), és biztosítani kell az akkumulátor ellenőrzését, cseréjét és feltöltését. Ez a gondozási igény nehezíti, többnyire megakadályozza a jármű felügyeleti eszközök alkalmazását a tápfeszültség ellátó rendszerrel nem rendelkező járműveken. A gondozásmentes energia termelő eszközök közül az egyik lehetőség a napelem alkalmazása.

A HM EI Rt-nél folytatott kísérletekhez a hazai gyártású DS 20 amorf szilícium napelemeket alkalmazták. 3.3.1

•

Kiindulási feltételek a napelem alkalmazásában:

A napelem mozgó eszközre kerül, tehát nem határozható meg előre a Nap iránya, így a vízszintes, illetve a közel vízszintes elhelyezés a legcélszerűbb.

•

A mozgó eszköz több napig tartózkodhat árnyékos, esetleg zárt helyen is, tehát a működéshez szükséges energiát több napra tárolni kell.

•

A téli, rossz energia viszonyok melletti működést is biztosítani kell, tehát a néhány mA-es napelem áram (forrás áram) hasznosítása is szükséges.

•

A rövid idejű, viszonylag nagy forrásáramot a leghatékonyabban kell felhasználni (rövid idejű, erős napsütés esetén a lehető legtöbb energiát kell tárolni).

•

A napelem elhelyezésekor alkalmazkodni kell a jármű által biztosított lehetőségekhez (rögzítés, védelem).

77 3.3.2

Tápfeszültség-ellátás és védelem

A járműfedélzeti egység tápellátása a napelemről, illetve a napelem által töltött akkumulátorról történik. A tápellátó rendszer blokkvázlata:

Napelem

Akku töltő

Akkumulátor

Az alkalmazott napelem:

DS 20 típusjelű, amorf szilícium napelem Méret : 635 x 623 mm Hasznos felület : 0.4 m2 Névleges feszültség : 44.8 V Üresjárási feszültség : 62.6 V Névleges áram : 450 mA Rövidzárási áram : 552 mA Kitöltési tényező (FF): 60% Hatásfok (AM1.5) : 5%

Akkumulátor töltő:

TRACO TEN 12-4813 DC / DC konverter + Saját készítésű szabályozó

Akkumulátor:

PILOT PL – 12 Méret : 150 x 100 x 65 mm Névleges feszültség: 12 V Kapacitás : 7 Ah

A tápfeszültség ellátó rendszer automatikusan működik. Ha a napelem termel energiát, akkor a töltő tölti az akkumulátort mindaddig, amíg a feszültsége nem éri a 13,8 V–ot. Tiszta napos időben ez lemerült akkumulátor esetén is 7-10 óra alatt megtörténik. Az akkumulátortöltő szabályozó egysége úgy van beállítva, hogy kisebb megvilágítási energia esetén is a napelem kimeneti feszültség-áram karakterisztikáján a munkapontot a maximális teljesítményű munkapont közelében tartsa. A legkisebb napenergia besugárzású téli hónapokat tekintve, az 1 hónap alatt hasznosítható energia mennyisége kb. 7 Ah (1 hónapig tartó megfigyelés, akkumulátor feszültség és töltő áram mérés). A megfigyelési időszakban, az adott pillanatban a tényleges töltőáramot elsődlegesen a

78 napelem által kibocsátott áram és az akkumulátor töltésfelvevő képessége határozza meg. (Lemerült akkumulátor esetén a napsütés hiánya, vagy a hótakaró korlátozza az energiatermelést,

„jó

fényviszonyok

esetén”

az

akkumulátor

feltöltöttsége

akadályozhatja a további áramfelvételt.) A napsütötte órák száma nem befolyásolható, a napelem takarítása költséges munkával oldható meg, az akkumulátor kapacitása az elhelyezési lehetőséget figyelembe véve növelhető. A havi 7 Ah energia, a járműfedélzeti egység átlagos fogyasztását figyelembe véve, összesen 23 óra aktív működést tenne lehetővé, amely naponta kb. 45 perc bekapcsolt állapotot jelent. Mivel a pozíció meghatározás átlagosan egy - másfél percet igényel, ezért naponta kb. 30 bekapcsolásra van lehetőség. A rendszer kísérleti üzemeltetése során a járműfedélzeti egységet 30 percenként kapcsoljuk be, a beépített GPS egység meghatározza a pozíció adatokat, és ezt elküldi egy SMS–ben a központba (jelentés a felügyeleti központnak). Ezt követően a járműfedélzeti egység automatikusan lekapcsol.

79 3.4

Napelemes repülőgép

A felderítés mindenféle katonai tevékenység tervezésének, végrehajtásának és értékelésének az alapja. A légi felderítés a hadászati, a hadműveleti és a harcászati felderítés fontos neme, eszközei a felderítő repülőgépek és helikopterek, a pilóta nélküli felderítő repülőgépek, az automatikus sodródó léggömbök és a légi-kozmikus eszközök. A hagyományos hajtóművel ellátott pilóta nélküli felderítő repülőgépek jellegzetes képviselője az RQ-4A Global Hawk típusú sugárhajtóműves gép, amelyet a Pentagon Védelmi Fejlesztési és Kutató Hivatalának a felkérésére fejlesztettek ki, és amelynek a prototípusa 1998-ban repült először17. Közel 20,000 m-es csúcsmagasság, 25 000 kmes hatótáv, 36 órás repülési idő a főbb műszaki jellemzői. Ez a repülési idő figyelemre méltó, de tovább már nem növelhető jelentősen. Azok a repülőgépeknek, amelyek üzemanyagot használnak fel, szükségképpen véges nagyságú a repülési idejük. Légi utántöltéssel ez az idő növelhető, de ez pilóta nélküli felderítő repülőgépeknél nem szokásos eljárás. A repülési időnek nincs elvi korlátja, ha a repülőgép a működéséhez szükséges energiát nem viszi magával, hanem a környezetéből veszi fel. Kézenfekvő, hogy repülőgép esetén ez a forrás a napelem legyen. Előzetes számítások szerint 12%-nál nagyobb napelem hatásfok esetén valósítható meg a kisebb magasságban repülő napelemes repülő. A napelemnek nem csak a repüléshez kell teljesítményt szolgáltatnia, hanem az éjszakai repüléshez szükséges energiával is fel kell töltenie a repülőgép energiatárolóit. Az 3.4.1. ábra szemlélteti az energiaviszonyokat18:

3.4.1. ábra. Napelemes repülőgép energiaviszonyai

80 A görbe a napelem által leadott teljesítményt, míg a vízszintes vonal a repüléshez szükséges teljesítményt ábrázolja. A napelemek napkeltétől napnyugtáig szolgáltatnak energiát, példánkban 5 és 19 óra között. Kb. 6 és 18 órakor szolgáltat a napelem elegendő teljesítményt a repüléshez, e két időpont között az energiatárolót is tudja tölteni. A vízszintesen vonalkázott terület a tárolónak leadott energiát, míg a függőlegesen vonalkázott terület a tárolóból felvett, a repüléshez szükséges energiát mutatja. A tárolónak leadott, a tárolás hatásfokával csökkentett energiának nagyobbnak kell lennie, mint a tárolóból felvett energiának. A szóba jöhető napelemek főbb paramétereit foglalja össze a 3.2. táblázat 3.2. táblázat Hatásfok [%]

Fajlagos

Fajlagos költség

(AM0)

tömeg [kg/m2]

$/W

Vékonyréteg CuInGaSe

10

0.286

3.5-5

Si (110 µm)

15

0.508

100

GaAs (105 µm)

18

0.485

GaAs (70 µm)

18

0.295

500

GaInP/GaAs (70 µm)

24

0.295

500-1000

Napelem-modul

Már szilícium napelemcella is teljesíti a naprepülőgépben történő alkalmazás feltételeit. A heteroátmenetes cellák műszaki jellemzői jóval kedvezőbbek, az áruk egyelőre magas. A napelem hatásfoka, fajlagos tömege, az energiatároló fajlagos tömege és a repülőgép jellemzői: a szárny fesztávja és a szárny karcsúsága közötti összefüggést vizsgálták T. R. Lamp és társai19. Az 3.4.2. ábra a szárny fesztávja és a karcsúság közötti összefüggést mutatja a fenti táblázatban szereplő napelemek használata esetén, ha az energiatároló fajlagos tömege 400 Wh/kg, a hasznos teher 50 kg és a repülésen felül 50W teljesítmény használható fel. Rögzített karcsúság mellett a szárny fesztávját döntően a napelem fajlagos tömege határozza meg, kevésbé a napelem hatásfoka. Ha például a szárny karcsúsága 25, akkor a hatásfokot 10%-ról 24%-ra növelve a fesztáv 6 m-rel csökkenthető, ha 18%-ról növeljük 24%-ra, akkor mindössze 0.6 m-rel. Ezzel

81 szemben a könnyebb, 0.286 kg/m2 fajlagos tömegű, 10%-os hatásfokú vékonyréteg szilícium napelem közel ugyanakkora fesztávot igényel, mint a 0.485 kg/m2 fajlagos tömegű, 18%-os hatásfokú napelem. Ugyanakkor, ha ezt a 18%-os hatásfokot 0.295 kg/m2 fajlagos tömegű vékonyabb GaAs napelemmel érjük el, akkor a fesztáv 4 m-rel csökkenhet.

3.4.2. ábra. A napelemes repülőgép szárnyfesztávolsága és szárkarcsúsága közötti összefüggés

3.4.3. ábra. A napelemes repülőgép szárnyfesztávolsága és az energiatároló fajlagos energia-tárolóképessége közötti összefüggés a repülési magassággal paraméterezve A napelemes felderítő repülő nagy magasságban is tevékenykedhet. A repülési magasság növekedésével a légkör csillapító hatása csökken, a napelemek nagyobb

82 teljesítményt adnak le, ugyanakkor a levegő kisebb sűrűsége miatt a felhajtóerő csökken. A felhajtóerő arányos a szárny felületével és a sebesség négyzetével. A sebesség növelése nagyobb motorteljesítményt kívánna, ezért ez az út nem járható. A szárnyfelület növelése sem lehetséges minden határon túl, ezért az energiatároló fajlagos energiáját kell a lehető legnagyobbra megvalósítani. A különböző magasságokban érvényes szárnyfesztáv-fajlagos energia közötti összefüggést mutatja az 3.4.3. ábra. A napelemes repülőgépnek előírt tömegű hasznos terhet kell szállítania, és azt el kell látnia az előírt teljesítménnyel. Az 3.4.4. ábra a hasznos teher befolyását mutatja a repülőgép méreteire, ha a napelemek hatásfoka 18%, fajlagos tömegük 0.485 kg/m2, az energiatárolás hatásfoka 67%, a szárny karcsúsága 25 és a vizsgálatot az év leghosszabb napján, június 22-én az északi szélesség 40º-án 20 km magasságban végezzük.

3.4.4. ábra A napelemes repülőgép szárnyfesztávolsága és az energiatároló fajlagos energia-tárolóképessége közötti összefüggés a hasznos terheléssel paraméterezve Látható, hogy a hasznos terhelés tömege jelentősen befolyásolja a repülőgép méreteit. Nagyobb terhet csak nagy fajlagos energiájú tárolóval lehet szállítani. Az elektromos terhelés kevésbé hat a repülőgép méreteire, ami könnyen érthető, mivel a repüléshez szükséges tipikusan 15-20 kW teljesítmény mellett eltörpül a terhelés néhány száz wattja.

83 Az első kísérletek napelemes repülőgép kifejlesztésére a 80-as évek elején kezdődtek Kaliforniában, az AeroVironment Inc.cégnél20. A HALSOL (high altitude solar vehicle) 200 kg tömegű volt, 30 m-es szárnyfesztávval. 1983-ban kilenc repülést végzett, akkumulátorral táplálva, mivel az első időkben óvták a drága napelemeket. A próbák igazolták a gép aerodinamikai és szerkezeti konstrukciójának a helyességét, de az akkumulátorok nem kielégítő fajlagos energiája miatt a kísérleteket leállították. A munka közel tíz évvel később, 1992-ben folytatódott. A nagy magasságban repülő, pilóta nélküli gép fejlesztésére a NASA adott megbízást az Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST) program keretében. A kifejlesztett repülőgép, a Pathfinder 1997-ben repült először, 71,500 láb (21,800 m) magasságba emelkedett. A szárnyfesztávolsága 30 m, a tömege 270 kg, a napelemek teljesítménye 8 kW, a hat egyenáramú motorj a repülőgépet 25-35 km/h sebességgel mozgatta. 1998-ban jelent meg ennek a továbbfejlesztett változata, a Pathfinder-Plus. A szárnyfesztávolságát 36 m-re, a tömegét 318 kg-ra, a napelemek teljesítményét 12.5 kW-ra, a motorok számát nyolcra növelték. Repülése során 82,000 láb magasságot (25,000 m) ért el, megdöntve ezzel a légcsavaros repülőgépek addigi magassági rekordját. A tudósítások eddig csak békés alkalmazásokról számoltak be: a Ráktérítőn fekvő Hawai szigeteken 1992-ben pusztító Inki hurrikán után az erdők növekedését, a parti vizeken az algasűrűséget és a korallzátonyok állapotát figyelték meg vele. Ugyancsak 1998-ban repült először a sorozat következő tagja, a Centurion. A szárnyfesztávolságot közel duplájára, 64 m-re növelték, a napelemek teljesítménye ennél is nagyobb mértékben 31 kW-ra nőtt, amely 14 db. motort táplál. A repülőgépnek a korábbi változatokhoz hasonlóan nincs törzse, a szárny alá öt gondolát szereltek, amelyek egyrészt a hasznos szállítmány, másrészt a fel- és leszálláshoz szükséges kerekek elhelyezésére szolgálnak. Éjszaka a lítium akkumulátorokban felhalmozott energia hajtja a motorokat. A napelemes repülőgépek sorának legifjabb tagja a Helios, először 2001. augusztus 13án emelkedett a levegőbe Hawai szigetén21. A műszaki adatai: Szárnyfesztávolság: Hossz:

75.3 m 3.6 m

84 A szárny vastagsága:

0.3 m

Magasság:

2 m, légcsavarok nélkül

Szárnyfelület:

186.6 m2

Saját tömeg:

600 kg

Hasznos tömeg:

330 kg

Meghajtás:

14 db. egyenként 1.4 kW-os kefenélküli egyenáramú motor

Energiaforrás:

több mint 60,000 db. 1.25” x 2.75” kétoldalas napelemcella

Napelemek hatásfoka:

felső megvilágításnál 22%, alsó megvilágításnál 11%

Napelemek teljesítménye: 30 kW Sebesség:

30-40 km/h tipikusan, a maximális 270 km/h

Repülési magasság:

15-22 km tipikusan, a maximális 30 km

Az átlátszó szárnyakba épített nagyhatásfokú napelemcellákat a SunPower Corporation gyártja, érdekességük, hogy felülről és alulról megvilágítva is szolgáltat energiát, természetesen eltérő hatásfokkal. Az áruk meglehetősen borsos, mintegy 9 millió USA $, így a fajlagos költség 200 $/W. Éjszaka és fényszegény időben lítium akkumulátorok pótolják a napelemek hiányzó teljesítményét. Az átállás a tüzelőanyagcellás energiatárolásra már előrehaladott állapotban van, a rendszer blokksémáját az 3.4.5. ábra, míg a tüzelőanyag-cellát a hidrogén, oxigén és víztartályokkal az 3.4.6. ábra mutatja22.

3.4.5. ábra. A napelemes repülőgép blokkvázlata

85

3.4.6. ábra. A Helios napelemes repülőgép tüzelőanyagcellás energiatárolója A Helios napelemes repülőgépet (3.4.7. ábra)23 a szegény ember műholdjának is nevezik, ugyanis át tudja venni azok távközlési, optikai és rádiófelderítési feladatait. Észlelését és megsemmisítését megnehezíti, hogy repülési pályája kiszámíthatatlan, hőmérséklete nem magasabb, mint a környezete, kevés fémet tartalmaz, zajtalan, nincs égéstermék kibocsátása, hónapokig képes a levegőben maradni leszállás nélkül, ezért katonai felhasználása perspektivikus.

3.4.7. ábra. A Helios napelemes repülőgép

86 3.5

Harcászati pilóta nélküli repülő eszközök

A technika és a technológia gyors fejlődése következtében az elektronikai felderítés is rendkívüli változáson ment át. A parancsnokok és a törzsek részére egyre kevesebb idő áll rendelkezésre a döntések előkészítésére és meghozatalára, ezért az elektronikai felderítő eszközökkel megszerzett információ jelentősége megnövekedett. A preciziós haditechnikai eszközök megjelenése miatt alapvető jelentőségűvé vált a szembenálló félről minél több és minél pontosabb információ megszerzése. Az elmúlt évtizedben jelentek meg a pilóta nélküli repülő eszközök (UAV – Unmanned Aerial Vehicle), amelyeket azóta egyre gyakrabban alkalmaznak. A szakirodalom különböző szempontok szerint osztályozza a pilóta nélküli repülő eszközöket. A repülő eszközök aerodinamikai kialakításuk, hatósugaruk, repülési magasságuk, repülési időtartamuk szerinti osztályozását a 3.3. táblázat mutatja24. 3.3. táblázat Hatósugár szerint

Közeli

Kis

Közepes

Nagy

(30km-ig)

(30-150 km)

(150-600 km)

(650km felett)

Repülési magasság

Kis

szerint Repülési idő szerint Aerodinamikai kialakítás szerint

Közepes

Nagy

Harcászati

Hadászati

(24 óra alatt)

(24 óra felett)

Merevszárnyú légcsavar meghajtással

Merevszárnyú

Lebegő

sugárhajtással

forgószárnyú

Kikötött forgószárny meghajtású

A pilóta nélküli repülő eszközök elláthatnak támogató, csapásmérő és felderítő feladatokat az alábbiak szerint25: Támogató feladatok: •

Átjátszó állomásként történő üzemeltetés

•

Elektronikai megtévesztés

•

Röplapok kiszórása

•

Célok lézerrel történő megvilágítása

87 •

Digitális térképhez adatok gyűjtése

Harci feladatok: •

Csapásmérés

•

Rádió és rádiólokációs zavarás

•

Érzékelők és egyszeri felhasználású zavaróadók meghatározott területre történő kijuttatása

Felderítési feladatok: •

Elektro-optikai felvételek készítése éjjel-nappal

•

Rádió- és rádiótechnikai felderítés

•

Rádiólokációs mozgó- és állócél felderítés

•

Vegyi- és sugárfelderítés

Az AeroVironment Inc. a Black Widow nevű kisméretű pilótanélküli repülőeszközt fejlesztett ki26, amelynek feladata vizuális megfigyelés, helyzetfelismerés, kárbecslés, légtérellenőrzés, biológiai vagy vegyi szennyezés érzékelése, kommunikációs relé megvalósítása (3.5.1. ábra. A Black Widow kisméretű repülőeszközA mindössze 6 hüvelyk (∼15 cm) szárnyfesztávú eszköz műszaki adatai az alábbiak: Tömeg:

80 g

Hatósugár:

1.8 km

Repülési magasság:

230 m

Repülési idő:

30 perc

Teljesítményfelvétel: 1-5 W

3.5.1. ábra. A Black Widow kisméretű repülőeszköz

88 A repülő eszköz hasznos terhelése egy 2.2 g tömegű videokamera, amelynek teljesítményfelvétele a fekete-fehér változatnál 50 mW, a színes változatnál 150 mW. A videojelet egy 1.4 g tömegű, 550 mW teljesítményfelvételű adó sugározza le. Az adóteljesítmény 100 mW, az adási frekvencia 2.4 GHz. Szinte zajtalanul repül, 30 m-ről már nem hallható. Az eszköz meghajtására villanymotort alkalmaztak, amelyeket akkumulátorról táplálnak. A belsőégésű és a sugárhajtóműves motorok hatásfoka ilyen kis méret esetén túlságosan kicsi. A mikroturbinák még nem eléggé kiforrottak, a mikroméretű tüzelőanyag-cellák is még váratnak magukra. A napelemes táplálás lehetőségét is megvizsgálták, de a 10 % körüli hatásfok túl kevésnek bizonyult. Ugyan már léteznek elegendően nagy hatásfokú napelemek, a magas áruk azonban nem teszi lehetővé az alkalmazásukat. A napelemeket ezért csak a leszállás után a földön az akkumulátorok töltésére használják. Hazánkban a ZMNE Elektronikai Hadviselés tanszékének a koordinálásával folynak kísérletek pilótanélküli repülőgépeknek a kifejlesztésére. A kutatások eredményeképpen építette meg az Aero-Target Bt. a Vöcsök nevű gépet (3.5.2. ábra), amely katonai alkalmazás esetén alakulat felderítésre, támogatásra használható.

3.5.2. ábra. A Vöcsök elektromos meghajtású pilótanélküli repülőgép

89 A repülőgép szárnyfesztávja 3.2 m, a hasznos terhelése 2-2.5 kg. Akkumulátorról táplálva a motorját a repülési ideje 20-25 perc, a repülés során a motor teljesítményfelvétele kb. 200 W. A szárny felülete 0.7 m2, ekkora felület és AM1 napsugárzás estén 20 %-os hatásfokú napelem lenne képes az akkumulátort helyettesíteni. Bár ekkora hatásfokú napelemek léteznek, a magas áruk miatt egyelőre nem jönnek számításba. Ha a napelem által szolgáltatott teljesítmény kisebb, mint a repüléshez szükséges teljesítmény, akkor a napelem “csak” a repülési idő meghosszabbítását szolgálja. Jelölje t a repülési időt, Pn a napelem által szolgáltatott teljesítményt, Pr a repüléshez szükséges teljesítményt és Wa az akkumulátorok kapacitását wattórában. A repülés során felhasznált energia Pr·t, amit a napelemek által szolgáltatott Pn·t energia és az akkumulátorok Wa energiája fedez: Pr·t = Wa + Pn·t

(3.5.1.)

ahonnan a repülési idő: t=

Wa P r − Pn

(3.5.2.)

Ha a napelemek a repüléshez szükséges teljesítménynek a felét szolgáltatják, akkor a repülési idő megkétszereződik. A 10% körüli hatásfokú vékony fólia napelemek ma már elérhetők, ilyennel felszerelve a repülőgépet a repülési idő napsütéses időben elérheti az egy órát. Javasolom, hogy a repülőgéppel folytatott kísérleteket terjesszék ki a napelemes meghajtásra is, szereljenek fel a szárnyakra jó hatásfokú fólia napelemet. A hazai kisméretű repülőeszközök egyik képviselője a Delta (3.5.3. ábra)

3.5.3. ábra. A Delta repülőgép. A méretét jól szemlélteti a melléhelyezett mobiltelefon.

90 A repülőgép teljesítmény-felvétele kb. 150 W, a szárnyfelülete 0.25 m2, a napsugárzásból ekkora felületre ∼230 W esik. A napelemes táplálást csak motor és a légcsavar hatásfokának jelentős növelésével lehet megjavítani, ekkor viszont az eddigi néhány perces repülési idő ugrásszerűen megnövekedne. Összefoglalva a leírtakat megállapítható, hogy mind a külföldi, mind a hazai kisméretű repülő eszközök szinte kizárólag elektromos meghajtást alkalmaznak. Bár folytak kísérletek napelemes energiaellátásra, a jelenleg elérhető és megfizethető napelemek kis hatásfoka miatt egyelőre még nem nem tudják a szükséges teljesítményt leadni. A technológia rohamos fejlődése következtében azonban várhatóan néhány év múlva már megjelennek azok a jó hatásfokú napelemek, amelyekkel a kisméretű napelemes táplálású repülőeszköz megépíthető.

91 3.6

Napelemes léghajók

Léggömböket már a XIX. században használtak hadicélra. A kötött megfigyelő ballonok mellett bombázásra először 1849-ben a Velencét ostromló Joseph Graf Radetzky de Radetz tábornagy seregében szolgáló Franz von Uchatius százados (a későbbi táborszernagy, a tábori tüzérség átszervezője és az acélbronz feltalálója) használta. A meleg levegővel töltött papírléggömböket a szél sodorta az ostromlott város fölé, ahol kioldották a lőporral töltött öntöttvas bombákat. Bár közülük egy a Szent Márk térre esett, nem okozott jelentős károkat, és az ostrom sorsát sem befolyásolta. Az első világháború kormányozható léghajói jól szolgáltak felderítésre, megfigyelésre, fotogrammetriai felvételek készítésére, bombázásra mindaddig, amíg meg nem jelentek a vadászrepülők, amelyek számára könnyen eltalálható célpont volt a nagyfelületű és lomha léghajó. A két világháború között a polgári repülés még használt léghajókat, de a hidrogénnel töltött Hindenburg léghajó 1937-es amerikai katasztrófája után hamar leáldozott a kormányozható léghajók napja. A második világháborúban jószerével csak az ember nélküli

kötött

ballonokat

használták

veszélyeztetett

célpontok

védelmére

léggömbzárként. Az acélsodronnyal rögzített léggömbök magasabbra kényszerítették a bombázókat, így csökkentve a találatok valószínűségét. Magyarországon utoljára 1945 januárjában alkalmazták a győri pályaudvar védelmére. A léghajók kétségtelen előnye az, hogy a levegőben maradásukhoz nem igényelnek teljesítményt, a szükséges felhajtóerőt a ballon gáztöltete biztosítja. Ez az előny újra ezekre az eszközökre irányította a figyelmet. Az Egyesült Királyságban működő ATG léghajógyártó napelemmel táplált kommunikációs „műhold” kifejlesztésén dolgozik27. A StratSat nevű léghajó az elképzelések szerint 20 km magasan egy 1 km oldalhosszúságú kockán belül tartható. Ebben a magasságban a szél általában gyenge, az 50m/s-nál erősebb szelekkel az idő mintegy 1%-ban kell számolni. Villanymotorok tartanák az előirt pozícióban a ballont, a szükséges elektromos teljesítményt napelemek szolgáltatják. Éjszakára akkumulátorok tárolják a motorok és a berendezések számára az energiát. A léghajónak nincs gondolája, a hosszanti tengelye körül szimmetrikus, a héliummal töltött ballon belsejében felfüggesztett hasznos terhelés szabadon

92 elfordulhat, így a külső felületen lévő napelemek mindig a legkedvezőbb irányba fordíthatók. Az ultraibolya fénynek ellenálló teflonbevonatnak köszönhetően becslés szerint legalább öt évig el tudja látni a feladatát. Egy kisebb méretű kísérleti példány már megépült. A tervek szerint 19 léghajó lefedi az Egyesült Királyság egész területét. Háborús körülmények között sebezhetősége miatt kevésbé használható, de a béketeremtő-békefenntartó műveletek során hasznos szolgálatot tehet. A Földhöz képest álló vagy lassan mozgó léghajó eredményesen használható felderítésre. A sztratoszférában lebegő léghajó megfigyelő rendszerének felbontása 1050-szer nagyobb lehet, mint a műholdaké. 2000. novemberében Koszovóban egy hagyományos léghajó alá szerelt rádiólokátor sikeresen bizonyította használhatóságát. A British Defence Evaluation and Research Agency tájékoztatása szerint a rádiólokátor képes volt észlelni talajba telepített aknákat, sőt, kézigránátokat is28. A Lockheed Martin Naval Electronics and Surveillance System a jövő hadiléghajója kifejlesztésébe kezdett, amely személyzettel együtt leszállás nélkül tevékenykedhet29. A léghajó békefenntartó műveletek támogatására, határok figyelésére, a terrorizmus elleni harcra szánják (3.6.1. ábra). Földközelben is használható, de veszély esetén a kézi csapatlégvédelmi eszközök hatásos magassága fölé emelkedhet.

3.6.1. ábra. Elképzelés napelemes léghajóra A

léghajó

energiaellátása

a Helios

napelemes

repülőgépére

emlékeztet. A

nagyhatásfokú napelemek által termelt elektromos energia fedezi a kefenélküli motorok szükségletét, táplálja a fedélzeti berendezéseket, és vízbontás útján hidrogént termel. Az éjszakai órákra tüzelőanyag-cellák látják el a szükséges energiával a léghajót.

93

3.6.2. ábra. Az elképzelt napelemes léghajó belseje Míg a Helios fejlesztése és repülése nagy nyilvánosságot kap, addig a 21. század léghajóját sűrű homály fedi. A kutatást szigorúan titkosították, képeket nem közölnek róla, csak fantáziarajzok jelentek meg (3.6.2. ábra).

94 3.7

Napelemről üzemeltetett meteorológiai állomás

Energiaellátó rendszerektől függetlenül működő állomást fejlesztett ki a NASA Lewis Research Center az Antarktiszon létesült meteorológiai és űrmegfigyelő állomás elhelyezésére30. Az állomás energiaellátását korábban dízelmotoros generátor végezte, amely bár megbízható eszköznek bizonyult, de az állandó zaja és az égéstermékek zavarták az állomás lakóit, ezenkívül az üzemanyag-ellátás is nehézségekbe ütközött, a dízelolaj esetleges kiömlése pedig súlyos környezetszennyezést okozhat. Ezért határozta el a NASA, hogy a dízelgenerátoros energiaellátást környezetkímélő és gazdaságos rendszerrel cseréli fel. Az állomást az Antarktiszon, a Dry Valley-ben fekvő Lake Hoare mellé telepítették. Hatfős személyzete részére szükséges elegendő elektromos teljesítményt biztosítani a személyi számítógépek, nyomtatók, laborműszerek, világítás és egy mikrohullámú sütő üzemeltetéséhez. A fejlesztők a megfelelő energiaforrást a napelemekben találták meg. A napelemekkel szemben támasztott követelmény, hogy 1.5 kW teljesítményt adjon le, a három darab savas gélakkumulátor összesen 2.4 kilowattóra energiát tudjon tárolni, az átalakítók pedig 120 V váltakozó és 12 V egyenfeszültséget szolgáltassanak. Mivel a berendezéseket a hatfős személyzetnek kell mostoha időjárási viszonyok mellett üzembe

helyeznie,

ezért

a

telepítésnek

egyszerűnek

és

rövid

gyakorlással

elsajátíthatónak kell lennie (3.7.1. ábra).

3.7.1. ábra. Napelemről működtetett megfigyelő állomás napelemei Az üzemeltetés helyszínén a besugárzott felületi teljesítmény 350-950 W/m2, ahol már figyelembe vették a terepviszonyokat is, a hegyek árnyékoló és a gleccserek fényvisszaverő hatását. Az állomás üzemeltetésének az évszakában a környezeti hőmérséklet –15 ºC és és 0 ºC között mozog. A napelemeknek el kell viselniük 25 m/s

95 szélsebességet károsodás nélkül. A rendszer három napelem panelből, az elosztó rendszerből, a vezérlő egységből, a DC tápegységből és az akkumulátoregységből áll. A rendszer legfontosabb részei a napelemek. A napelemek monokristályos szilíciumból készültek, a Siemens Solar Industries gyártmánya. Egy modulban 36 napelemcella van sorba kötve, a modul névleges teljesítménye 53 W, névleges feszültsége 17.4 V, névleges árama 3.05 A, 1000 W/m2 besugárzott felületi teljesítmény és 25 ºC környezeti hőmérséklet mellett. Ha a hőmérséklet 15 ºC-ra süllyed, a napelemcellák hatásfoka a korábban tárgyaltak szerint megnő, a leadott teljesítmény 63 W, a névleges feszültség 19.3 V, a névleges áram 3.2 A lesz. Nyolc modult sorba kötve egy panelba szerelnek össze, amelyet biztosítékkal ellátott dugaszolható csatlakozóval látnak el. A dugaszolható csatlakozó egyrészt a könnyű szerelhetőséget biztosítja, másrészt az áramütéstől véd, hiszen ha a napelemet fény éri, feszültséget szolgáltat, nem lehet kikapcsolni. Három panelt az elosztó rendszer kapcsol párhuzamosan egymáshoz. Minden egyes panel saját állványra van szerelve, a panel nyolc modulja közül négy darab rögzítve, a két szélen lévő két-két modul pedig behajthatóan a könnyebb szállítás érdekében (3.7.2. ábra).

3.7.2. ábra. A napelemmodulok hátulról. A két-két szélső modul szállításkor behajtható Az Antarktiszon a Nap cirkumpoláris pályát ír le. Tavasztól őszig a horizont felett látható, ősztől tavaszig sötétség honol. Nyáron a Napnak a horizont feletti legnagyobb magassága 23.5º, a Déli sarktól távolabb ennél nagyobb. A telepítés helyén nyáron 10º30º közötti magassággal lehet számolni, ezért a modulok síkja a vízszintessel 70º-os szöget zár be. A Közép-Európában megszokott rögzített telepítéssel szemben az

96 Antarktiszon a cirkumpoláris pálya miatt horizontálisan kell követni a Nap mozgását. A panelt ezért függőleges tengely körül forgathatóan alakították ki. Az energiatermelés szempontjából a folyamatos követés lenne célszerű, de a mostoha időjárási viszonyok miatt ezt nem lehet megbízhatóan megoldani, ezért a forgatás emberi erővel történik. Hat óránként lábbal működtetve a panelt 90º-al elfordítják. Mivel így a panel nincs a legkedvezőbb pozícióban, ezért az egy panel által leadott teljesítmény minimuma 0.5 kW a névleges 1.5 kW helyett. Az ólom savas gél akkumulátorok 36 V névleges feszültségű modulokba vannak szerelve. Három modul sorbakötve adja ki a 120 V-os névleges feszültséget. A rendszer tárolókapacitása 9.6 kWh 20 órás kisütés mellett. Ez ugyan jóval több, mint a megkívánt 2.4 kWh, de ezt a tárolókapacitást biztosítania kell kedvezőtlenebb kisütés estén is, másrészt figyelembe kell venni azt a tényt is, hogy a kapacitás rohamosan csökken a hőmérséklet csökkenésével, -15 ºC-on az amperórában mért kapacitás a 25 ºC-on mért kapacitásnak mindössze 60%-a, az energiatárolásé még kisebb. A napelem energiájával táplált állomás az Antarktiszon beváltotta a hozzá fűzött elvárásokat. Európai viszonyok között is hasonló eredmény várható, a napelemeknek a nagyobb hőmérsékletből származó kisebb hatásfokát és a rövidebb nappalt ellensúlyozza a napsugárzás nagyobb teljesítménye. Jól használható mindazon helyen, ahol más energiaforrástól távol felügyelettel vagy a nélkül elektromos berendezéseket kell üzemeltetni.

97 3.8

A napelem oktatási kérdései

Az előző fejezetekben megismerkedhettünk a napelemek kedvező tulajdonságaival. A napelemek csak akkor nyújtják az elvárt teljesítményt, ha az alkalmazó tisztában van az eszköz jellemzőivel, a napelemmodulokhoz csatlakozó áramkörök nemcsak a névleges feszültséghez és áramhoz illeszkednek, hanem figyelembe veszik a napelemek paramétereinek nagyfokú ingadozását a napsugárzás változásának függvényében. A leendő villamosmérnök-tisztek a képzés során viszonylag keveset foglalkoznak az energiaellátás kérdéseivel. Számukra az energiaforrás elsősorban egy egyen- vagy váltakozó feszültségű feszültséggenerátor, amelynek legfeljebb a véges terhelhetőségét és a véges nagyságú belső ellenállását kell figyelembe venni. Pedig az elektronikus berendezések komplex rendszerek31, ahol a táplálást és a fogyasztót egységes egészként kell kezelni, mert csak így fogja működése során az elvárt teljesítményt nyújtani. A katonai alkalmazású komplex villamos rendszer nagyon sokszor valamilyen szolgáltató feladatot lát el. Egy szolgáltató rendszer működésének sikerességét alapvetően abból lehet lemérni, hogy az mennyiben felel meg a felhasználói követelményeknek. Ez az általános megfogalmazás tulajdonképpen a minőség fogalmának implicit – a minőséggel kapcsolatos szabványok szemléletét tükröző – meghatározása. Ilyen értelemben azonban a minőség a rendszert tervező, üzemeltető villamos szakember számára nem egzakt, közvetlenül használható fogalom. Ezért a komplex villamos rendszerek minőségének megítéléséhez, bevezetésre került a kulcstulajdonságok fogalma.

A kulcstulajdonságok olyan mérhető, vagy számítható adatok, paraméterek amelyek alapvető szerepet játszanak – adott feladat szempontjából – a rendszer minőségének megítélésénél. A kulcstulajdonságokat mértékeik jellemzik, és ezek vannak közvetlen kapcsolatban a szakemberek által befolyásolható paraméterekkel. A kulcstulajdonságok ismeretében már figyelembe lehet venni a felhasználók által rögzített és ez alapján megfelelően ellenőrizhető egzakt szolgáltatási jellemzőket, azaz a kulcstulajdonságok mértékeit. A kulcstulajdonságok a különböző rendszerek esetében eltérőek lehetnek, azok mindig a rendszer jellegétől és céljaitól függenek. Például fontos

98 kulcstulajdonságú paraméter az energiaellátó rendszer üzemi feszültsége, amelynek a névleges értéktől való eltérése, kimaradása nagyban befolyásolja a rendszer megbízható üzemét, ezáltal annak minőségét. A szükséges feltételek, paraméterek meghatározása és ezek névleges értékeit biztosító műszaki és szervezési megoldások kialakítása bonyolult, összetett feladat, amely nagymértékben függ a komplex villamos rendszer létrehozásának céljától, azonban a rendszer általános értelemben vett megbízhatóságát (dependability)

32

minden esetben

vizsgálni kell. Az általános értelemben vett megbízhatóság fontos része a hibamentesség. A hibamentesség biztosításához szükséges vizsgálatok igen sokrétűek, összetettek, amelyeket csak rendszerszemléletű gondolkodással lehet sikeresen elvégezni. Ezt a munkát segíti a zavarállapotok meghatározásának elve33 ,34 ,35vizsgálati módszer. A vizsgálati módszer zavarállapot fogalmára épül. A zavarállapot a komplex villamos rendszer olyan állapota, amely a technikai vagy emberi eredetű – adekvátan meghatározható – zavarok hatására funkcióját már nem tudja ellátni. A vizsgálatoknál azokat a technikai jellegű és egyéb (például emberi) zavarforrásokat kell figyelembe venni, amelyek befolyásolják a hibamentességet. Ezek elemzése még akkor is fontos, ha nem szerepelnek a megrendelő feltételrendszerében. A zavarállapotok meghatározásának elve módszer lényege az, hogy a vizsgálatokat két

csoportra kell osztani. Az

egyik

csoportba

kulcstulajdonságok

a

megbízhatóságelméleti

kerülnek,

ezek

a

módszerekkel

„beszállító”

által

meghatározható

kötelezően

megadott

paraméterekből számíthatók. Ekkor tulajdonképpen a laboratóriumi körülmények közötti rendszer hibamentességi jellemzői kerülnek meghatározásra. A másik csoportba azoknak a zavarállapotokat létrehozó zavarforrásoknak a vizsgálatai, meghatározásai

tartoznak,

amelyeknél

közvetlenül

nem

alkalmazunk

megbízhatóságelméleti módszereket. Különösen fontos azoknak a zavarforrásoknak a

99 vizsgálata, amelyek a komplex villamos rendszerek kulcstulajdonságú paramétereit befolyásolják. A zavarállapotok meghatározásának elve módszer alkalmazásához tehát meg kell határozni az adott komplex villamos rendszerben vagy azon kívül előforduló meghatározó zavarforrásokat. Az egyik ilyen fontos zavarforrás a feszültség kimaradása. Ilyen értelemben a napelemek alternatív energiaforrásnak tekinthetők. Mindenképpen javaslom a zavarállapotok meghatározásának elve tématerület feldolgozásakor — mint a rendszer zavarállapotba kerülésének megakadályozásának egyik módszerét — a napelemek alkalmazási lehetőségének bemutatását. A ZMNE Bolyai János Katonai Műszaki Főiskolai Karán a villamosmérnök-tiszt hallgatók oktatása során azt tapasztaltam, hogy egyrészt a hallgatók a napelemekről nagyon kevés ismerettel rendelkeznek, másrészt nagy az érdeklődés az eszköz iránt, éppen ezért szükséges a napelemek tulajdonságainak és alkalmazási szempontjainak az ismertetése. Az Elektronika tanszéken folyó kutatásaim keretében laboratóriumi mérést dolgoztam ki a napelemmel való megismerkedés céljából. (l. 5. sz. melléklet). A mérendő napelemmodul 6 db. napelemcellából áll. A cellák sorba vannak kötve, de valamennyi cella csatlakozói mérőpontként hozzáférhetők. Külön-külön meg lehet mérni valamennyi

cella

feszültség-áram karakterisztikáját,

üresjárási

feszültségét

és

rövidzárási áramát, majd ugyanezt az egész modulnál. Rá kell vezetni a mérést végző hallgatót, hogy a karakterisztikák alapján felismerje, hogy a napelem inkább mondható feszültségkorlátozott áramgenerátornak, mint áramkorlátozott feszültséggenerátornak. Meg lehet mérni, hogy rövidrezárt kimenet esetén az egyes celláknak mekkora a záróirányú igénybevétele. Fel kell hívni a hallgatók figyelmét arra, hogy emiatt nem lehet védelem nélkül tetszés szerinti számú cellát sorbakötni. Be lehet mutatni, hogy milyen következménnyel jár egy cella részbeni vagy teljes letakarása. Sorbakapcsolt hagyományos feszültséggenerátorok esetében egyetlen generátor kiesése csak a kimenőfeszültséget csökkenti, napelemek esetében a teljes áram megszűnik és az aktív napelemek feszültségeinek az összege a letakart napelemet

100 záróirányba feszíti elő. Ismételten fel lehet hívni a hallgatók figyelmét a védődióda fontosságára. A kísérleti napelemmodul segítségével kiskapacitású (ceruza) akkumulátort lehet tölteni. Be lehet mutatni, hogy sötétben (letakart napelemek) a modul nemhogy töltene, hanem mint sorbakapcsolt diódalánc kisüti az akkumulátorokat, ezért ebben az esetben is védelemre van szükség. A tapasztalat szerint a hallgatók érdeklődéssel végezték el a számukra szokatlanul viselkedő eszközök vizsgálatát, a mérés végére alaposan megismerték a napelemek tulajdonságait. A BMF KKVFK Mikroelektronikai és Technológia Intézetében most (2003. február) folyik

négy,

egyenként

40

W-os

napelemmodul

telepítése.

A

jövendő

villamosmérnökök itt már nagyobb teljesítményviszonyok mellett végezhetik el a vizsgálataikat. A rendszerhez tartozó 230 VAC kimenetű inverterrel lehetőség nyílik műszerek vagy más elektromos fogyasztók hálózatfüggetlen táplálására. Reményeink szerint hallgatóink megismerkedve a napelemek nyújtotta lehetőségekkel pályájuk során bátran fogják alkalmazni ezt a környezetbarát energiaforrást.

101

4

Összefoglalás

Disszertációm témáját a napelemek működésének vizsgálata és elsősorban a katonai célú alkalmazások feltárása képezi, felölelve az egykristályos és az amorf félvezető alapanyagból készült, továbbá elektrokémiai elven működő napelem-típusokat. Az értekezés I. fejezetében a napsugárzás fizikai jellemzőivel, a napsugárzás geometriájával és az energiakonverzió kérdésével foglalkozom. Áttekintem a napelemek működésének vizsgálatához szükséges napsugárzás jellemzőit, a világűrben és a földfelszínen mérhető színképet, teljesítménysűrűséget és fotonsűrűséget. A napsugárzás geometriájának ismerete elengedhetetlen a napelemmodulok telepítéséhez, pozicionálásához és a követő rendszer létesítéséhez. Az energiakonverzió vizsgálatához a napsugárzás színképéhez a Nap felületi hőmérsékletével megegyező hőfokú feketesugárzó színképével közelítettem. Amíg a világűrben a két színkép gyakorlatilag megegyezik, addig ez a közelítés a Föld felszínén már nem alkalmazható egyértelműen. A légkör szilárd szennyeződése egyenletes intenzitáscsökkenést okoz ugyan, így a színképet ez nem torzítja, ezzel szemben a levegőben lévő szén-dioxid, vízgőz és ózon a színképben számos keskeny sávban jelentős csillapítást okoz, viszont ez a csillapítás éppen a sávok keskenységénél fogva az energiaviszonyokat nem befolyásolja észrevehetően. Az ideális energiakonverzióban azok a fotonok keltenek Wg elektromos energiát, amelyeknek energiája nagyobb, mint az anyagjellemző Wg. A hatásfok meghatározható a Wg függvényében különböző színképű sugárzókkal, így a különböző hőmérsékletű feketesugárzókkal megvilágított napelemeknél is. Feketesugárzó esetében az eredmény zárt alakban felírható, de a négytagú összegből kettő logaritmusfüggvény, a másik két tag pedig a Nielsen-féle polilogaritmus függvény. Az optimális Wg meghatározásához ez a kifejezés ugyan még deriválható, de az optimális Wg nem állítható elő zárt alakban, ezért az optimumszámítást Newton módszerrel numerikusan végeztem. Felírtam az optimális

Wg

-t

meghatározó

egyenletet

a

feketesugárzó

hőmérsékletének

függvényében, ezek alapján definiáltam, hogy a konverzió maximális hatásfoka bármilyen hőmérsékletű feketesugárzó használata mellett 43.88 %.

102 A több rétegből álló napelemben megvizsgáltam az energiakonverzió hatásfokának alakulását a különböző rétegek anyagára jellemző Wg1, Wg2, ... Wgn függvényében. Az optimumszámítást itt is numerikusan gradiens módszerrel- végeztem el, ennek során felírtam az optimális Wg1, Wg2, ... Wgn-ket meghatározó egyenleteket a feketesugárzó hőmérsékletének függvényében. Meghatároztam, hogy kétrétegű napelem esetében a konverzió maximális hatásfoka 60.38 %, háromrétegű napelem esetében pedig 69.23 %. Az értekezés II. fejezetében a napelemek technológiai kérdéseivel foglalkozom. Megvizsgáltam a félvezető napelemek hatásfokának a csökkenését az ideális

konverziós hatásfokhoz képest. A félvezető nyitófeszültségének a diffúziós potenciállal történő közelítésével összefüggést állapítottam meg a félvezető tiltott sávjának szélessége és a hatásfok között. Ebben a fejezetben foglalkozom a napelemek megbízhatósági elemzésével is. A szükséges fogalmak értelmezése után ismertetem a napelemek hibamechanizmusait, kiemeltem azokat a különbségeket, amelyek a napelemek és a többi félvezető meghibásodási okai között fennállnak. Foglalkozom a napelemek vizsgálatának a módszereivel, kiemeltem azokat az eljárásokat, amelyeket a felhasználó végezhet vagy végeztethet el. Részletesen tárgyalom a katonai szempontból releváns napelemek előállításának

technológiáját. Az amorf szilíciumból készült napelemeknek nagy előnyük, hogy előállításuk olcsó és egyszerű, abszorbciós képességük nagyságrendekkel kedvezőbb, mint a kristályos szilíciumé. Ugyanakkor az elektromos tulajdonságaik gyengébbek, ezért hatásfokuk is kisebb. További előny, hogy nem csak szilárd hordózóra, hanem fémfóliára is felvihető, így törésállósága is megjavult. Rámutattam arra a tényre, hogy az utóbbi évek technológiai fejlesztései nyomán az amorf szilícium napelemek megbízhatósága jelentősen megnövekedett, így katonai felhasználásra is alkalmassá váltak, elsősorban olyan földi alkalmazásoknál, ahol a kis méret nem elsődleges követelmény. Bemutatom a kristályos szilíciumból készült nagyhatásfokú napelemek konstrukcióját, és áttekintem a hatásfokot csökkentő okokat, valamint a csökkenés mérséklésének lehetőségeit. Ismertetem a jelenleg legnagyobb hatásfokú napelemeket, a vegyület-félvezetőkből készülő többrétegű heteroátmenetes cellákat, amelyeknek a hatásfoka meghaladja a 40 %-t. A hatásfokon kívül fontos szempont a különböző

103 napelemek előállítási költsége. A megegyező elektromos teljesítményű amorf és heteroátmenetes napelem ára között mintegy ötszázszoros különbség mutatkozik, míg a hatásfokuk aránya csupán nyolcszoros. Ezt a magas költséget ma csak a kozmikus alkalmazások viselik el. A gyártástechnológia gyors fejlődése a várakozások szerint jelentős költségcsökkenést fog okozni, ezért az új alkalmazások tervezésénél ezekből kell kiindulni. Az energiatárolás a hagyományos akkumulátorokkal szemben hidrogén tárolásával gyakorlatilag veszteségmentesen oldható meg. A hidrogén előállítása a hagyományos napelemek áramával, vízbontással történhet. Közvetlenül állítható elő hidrogén a fotoelektrokémiai napelemek segítségével. Ezek a napelemek az elektromos kapcsok lezárásától függően áramot vagy hidrogént állítanak elő. Kutatásaimat kiterjesztettem a fotoelektrokémiai napelemek vizsgálatára is. A fotokonverzió hatásfoka nagymértékben függ a félvezető réteg felületi morfológiájától. Kutatásaim során a félvezető-elektrolit átmenetet vizsgáltam, ennek modellezésére fizikai tartalommal rendelkező helyettesítő képet állítottam fel. Az átmeneten potenciosztatikus kapcsolásban impedanciaanalízist végeztem. A mérési eredmények kiértékeléséhez számítógépre programot írtam, a

mérési eredményekből meghatároztam a helyettesítő kép elemeinek értékét. Az értekezés III. fejezetében a napelemek katonai alkalmazásának lehetőségeivel foglalkozom. Részletesen tárgyalom a napelemek telepítési kérdéseit. Ismertetem a rögzített elhelyezésű napelemek optimális telepítését, az optimális iránytól való eltérés hatására bekövetkező teljesítménycsökkenést. Bemutatom a Nap mozgását követő napelemmodullal elérhető teljesítménynövekedést. Ez a teljesítmény-növekedés hazánk területén 20-22%, az egyenlítőhöz közelítve a nyereség folyamatosan növekszik, amely a Szaharában eléri az 50%-t. Ugyanakkor a követő rendszernek hátrányai is vannak: a megtermelt energia egy részét felhasználja, költségesebb és a mozgó alkatrészek miatt a megbízhatósága is kisebb. Megállapítottam, hogy hazai alkalmazások esetében nem gazdaságos a követő rendszer alkalmazása, gazdaságossá válik viszont az egyenlítőhöz közel, ahol a jövőben a Magyar Honvédség egyes alakulatai békefenntartó műveletekben vehetnek részt. A korszerűen felszerelt katona harcképességét, illetve túlélőképességét jelentős mennyiségű akkumulátorról táplált elektronikai eszköz teszi lehetővé. Az energiaellátó

104 hálózattól független működést az akkumulátorok napelemről történő töltése biztosítja. Az értekezésben olyan katonai célra készült napelemmel fogalalkozom, amely a katona személyi felszerelésének része és kivitele alkalmassá teszi a harctéri körülmények melletti alkalmazásra. Kedvezőtlen időjárási viszonyok esetén egy napelem jelenleg még nem képes egy katona teljes

energiaigényét kielégíteni, ezért olyan

akkumulátortöltőt kell alkalmazni, amely több napelem teljesítményét képes összegezni és egyszerre több akkumulátort tud tölteni. Javaslatot tettem kis alegységek részére olyan intelligens akkumulátortöltő kifejlesztésére és rendszerbe állítására, amely 1…8 napelem-csatlakozó bemenettel rendelkezik, egymástól függetlenül állítja be a napelemek optimális munkapontját, felismeri a csatlakoztatott akkumulátort, azt az előírt árammal tölti és kijelzi, hogy a töltő teljesítménye mennyire van kihasználva. Bemutatom a napelem gyakorlati alkalmazásának lehetőségeit a hadászati és harcászati légi felderítésben. Az USA-ban kifejlesztett napelemes repülőgépek 30 km magasságban elvileg korlátlan ideig képesek repülni, fényszegény időben akkumulátor táplálja a motorokat és a fedélzeti berendezéseket, az elképzelések szerint ezt a feladatot már a közeljövőben tüzelőanyag-cellákkal oldják meg. A napelemes repülőgép felderítését és megsemmisítését megnehezíti, hogy hőmérséklete megegyezik a környezetével, kevés fémet tartalmaz, zajtalan, nem bocsát ki égésterméket. Harcászati szintű felderítésre, illetve kisalegységek támogatására alkalmas kis hatótávolságú, rövid repülési idejű repülőeszközök alkalmazása indokolt. Ezeknek az eszközöknek a hatósugara ≤10 km, repülési idejük ≤1 h. A Magyar Honvédségnél a ZMNE Elektronikai Hadviselés Tanszéken több repülőgéptípussal folynak ilyen jellegű kísérletek. Jelenleg akkumulátor táplálja a repülőgépet, ugyanis az elérhető napelemek teljesítménye még nem elegendő az akkumulátor helyettesítésére, de napelemek alkalmazása esetén a szükséges akkumulátor mérete (súlya) kisebb lehet, és így a hasznos teher nagysága növekedhet. A ZMNE Bolyai János Katonai Műszaki Főiskolai Karán a villamosmérnök-tiszt hallgatók oktatása során azt tapasztaltam, hogy a hallgatók a napelemekről nagyon kevés ismerettel rendelkeznek, ugyanakkor nagy az érdeklődés az eszközök alkalmazási perspektívái iránt.

105 A napelemek felhasználásában rejlő lehetőségek felismerése csak megalapozott tudással lehetséges. A leendő villamosmérnök-tisztek felkészülésük során viszonylag keveset foglalkoznak az energiaellátás kérdéseivel, annak ellenére, hogy a katonai elektronikus berendezések olyan komplex rendszerek, amelyeknél az energia ellátást és a fogyasztót egységes egészként kell kezelni; ez a szemlélet és az ennek alapján megvalósítható gyakorlat biztosítja a berendezések optimális teljesítményének elérését a működtetés során. A villamosmérnök-tiszteknek a berendezések megbízható üzemeltetéshez fel kell ismerniük a rendszer hibás működését, tudniuk kell a lehetséges meghibásodások okait. Ehhez elengedhetetlenül szükséges a zavarállapotok meghatározása- elv alkalmazása. Javasolom, hogy a villamosmérnök-tisztek tananyagába kerüljön be a zavarállapotok

meghatározásának elve, a kulcstulajdonságok definiálása, valamint a hibamentesség biztosításához szükséges vizsgálatok oktatása. Laboratóriumi mérést dolgoztam ki, amellyel a hallgatók meghatározhatják a napelemek kulcstulajdonságait, felvehetik a napelemmodul

és

a

napelemcellák

jelleggörbéit,

megmérhetik

igénybevételét és a leadott teljesítményt extrém lezárások mellett.

a

napelemek

106 Új tudományos eredmények

1.

Meghatároztam az ideális foton-elektromos energia konverzió hatásfokát a tiltottsáv-szélesség függvényében különböző hőmérsékletű feketesugárzó esetén. Meghatároztam egy-, két- és háromrétegű napelemre az optimális tiltottsávszélességet a feketesugárzó hőmérsékletének függvényében. 36, 37, 1

2.

Egyszerű áramköri modellt dolgoztam ki az ideális energiakonverzió és a félvezető napelem hatásfokának a vizsgálatára. A modell segítségével jó közelítést adtam az egy pn átmenettel rendelkező napelem hatásfokának a tiltottsávszélességtől való függésére. 1, 37

3.

Meghatároztam a fotoelektrokémiai napelem áramköri helyettesítő képét. Az impedancia

frekvenciafüggésének

mérési

eredményeiből

kiszámítottam

a

helyettesítő elemértékeit, amiből a napelem paraméterei meghatározhatók. 10, 11, 12 4.

Alegységek részére javaslatot tettem tábori körülmények között is működő napelem rendszerbe állítására és intelligens akkumulátortöltő kifejlesztésére.

Az értekezés alapjául szolgálhat a Magyar Honvédségben a napelemes energiaellátás rendszerbe állítását hozó döntés megalapozásához. Elősegítheti a különböző szállítók által felkínált eszközök közötti eligazodást, a bemutatott példák nyomán további alkalmazásokhoz adhat ötletet. Végül az értekezés számos megoldatlan problémát vet fel, ezért további kutatómunkára ösztönöz.

107

Szakirodalom 1

Dr. Ing. Péter Turmezei : Einige Methoden der Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarzellen Kandó Konferencia 2002. 60 év a műszaki képzésben. XVI. tudományos ülésszak. Budapest, 2002. november 14-15. ISBN 963 7158 03 0

2

Aldert van der Ziel: Szilárdtest elektronika – Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985. ISBN 963 10 4325 8 p.308.

3

uo. p.114.

4

Joseph J. Wysocki and Paul Rappaport Effect of Temperature on Photovoltaic Solar Energy Conversion RCA Laboratories, Princeton, New Jersey Journal of Applied Physics, Volume 31, Number 3 p.571-578.

5

Dr. Mizsei János: Napelemek. BME jegyzet http://www.eet.bme.hu/publications/e_books/index.html

6

Nemcsics Ákos: A napelem és fejlesztési perspektívái - Akadémia Kiadó, Budapest 2001. ISBN 963 05 7821 2 - p.46.

7

Dr. Nemcsics Ákos: A napelem működése, fajtái és alkalmazása. Budapest, 1999. KKMF-1188 ISBN 963 7158014.

8

Bellák Krisztián: Matematikai statisztikai mintavételi terv készítése. Szakdolgozat KKMF 289/98.

9

Nemcsics Ákos: A napelem és fejlesztési perspektívái - Akadémia Kiadó, Budapest 2001. ISBN 963 05 7821 2 – p.105.

10

Péter Turmezei – Ákos Nemcsics : Modelling of Cd4GeSe6 crystal - electrolyte junction for electrochemical solar cell purposes MIEL 2002. 23rd International Conference on Microelectronics Niš Yugoslavia 12-15 May 2002 Proceedings IEEE Catalog No. 02TH8595 ISBN 0-7803-7235-2 Vol.1. p.369-370.

11

Péter Turmezei and Ákos Nemcsics : Modelling of Cd4GeSe6 / Electrolyte Junction for Solar Cell Purposes 6th International Workshop on Expert Evaluation & Controll of Compound Semiconductor Materials & Technologies (EXMATEC 2002) Budapest 26-29 May 2002 p.152.

108

12

P. Turmezei and Á. Nemcsics : Modelling of Cd4GeSe6 - electrolyte junction for solar cell purposes Physica Status Solidi 2003. February No.3. pp. 967-969. WYLEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim ISSN 1610-1634 ISBN 3-527-40436-8

13

Eckhard Quitmann-Uwe Krüger: Sonne und Wind konkret genutzt Elektor-Verlag, Aachen 1993. - ISBN 3-928051-51-2 - p. 57.

14

http://www.solarcentury.co.uk/uploaddocs/USF%20module%20leaflet%20Engish.pdf

15

http://www.alternativenergy.net/unimilitary.htm

16

Honvédelmi Minisztérium Elektronikai, Logisztikai és Vagyonkezelő Rt. Elektronikai Igazgatóság GPS alapú GSM kommunikációs járműkövető rendszer napelemes táplálással Rendszerleírás, Bp. 2003.

17

http://www.fas.org/irp/program/collect/global_hawk.htm

18

Kitt C. Reinhardt-Thomas R. Lamp-Jack W. Gels- Anthony J. Colozza Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicles http://powerweb.grc.nasa.gov/psi/DOC/spuav.html

19

Thomas R. Lamp-Kitt C. Reinhardt-Anthony J. Colozza : Photovoltaic Power for Long Endurance Unmanned Aerial Vehicles http://powerweb.grc.nasa.gov/psi/DOC/pvhalepaper/PV_Power_Aircraft.html

20

Nicholas J. Colella-Gordon S. Wenneker Pathfinder and the Development of Solar Rechargeable Aircraft E&TR July 1994

21

http://www.pvresources.com/en/helios.html

22

http://www.dfrc.nasa.gov/PAO/PAIS/HTML/FS-068-DFRC.html

23

http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/photo/Helios/

24

Pilóta nélküli repülő eszközök. Haditechnikai Intézet, Haditechnika füzetek 1.sz., 1999.

25

Marton Csaba mk. őrgy. A pilóta nélküli repülőgép rendszer elemeinek felderítési lehetőségei Korszerű katonai technológiák a XXI. században – az új felderítő, elektronikai hadviselési rendszerek koncepciói Nemzetközi konferencia kiadvány Bp. 2000. máj. 16-17. pp. 252-270

26

http://www.aerovironment.com/area-aircraft/prod-serv/bwidpap.pdf

109

27

Airship Communication satellites will stay aloft for five years Electronics World February 2002 p.5.

28

Jim Wilson: Return of The Battle Blimps http://popularmechanics.com/science/military/2002/3/return_of_battle_blimps/print.p html

29

u.o.

30

Lisa L. Kohout, Anthony Merolla and Anthony Colozza: A Solar Photovoltaic Power System for Use in Antarctica NASA TM 106417

31

Dr. Zsigmond Gyula: Komplex villamos rendszerek rendszerszemléletű vizsgálata ZMNE BJKMFK Kutatási jelentés Bp. 2002.

32

MSZ IEC 50 (191): 1992.

33

Dr. Zsigmond Gy.: Komplex villamos rendszerek minőségbiztosításának néhány kérdése. KKMF Tudományos Közlemények, 1998 (90-95).

34

Gy. Zsigmond, I. Kun, G. Szász : Some Problems of Quality Based Design of Complex Automation Systems. INES′99 Proceedings, pp. 233-235.

35

Dr.Zsigmond Gy.: Komplex villamos rendszerek minőségszemléletű vizsgálatáról. Elektrotechnika, 2001/7-8. (271-273)

36

Dr. Turmezei Péter : Nagyhatásfokú napelemek felépítése és néhány példa katonai alkalmazásukra Bolyai Szemle 2002. 2. szám ISSN 1416-1443 p.185-196.

37

Dr.Ing. Péter Turmezei : Konstruktion und Wirkungsgrad der Solarzellen University of Pécs, 40th Anniversary of Pollack Mihály College of Engineering XVIII. wissenschaftliches Kolloquium – Tagesband Pécs, 2002. május 31-június 1.

38

Dr. Turmezei Péter : Katonai célú napelemes energiaellátó rendszerek alkalmazásának kérdései Nemzetvédelmi Doktorandorum. ZMNE 2002. 2. szám. Megjelenés alatt

39

Dr. Turmezei Péter – dr. Nemcsics Ákos : Világűrbéli felhasználásra alkalmas napelemstruktúrák Elektronikai Technológia, Mikrotechnika. Megjelenés alatt.

Publikációk Erdélyi-Hernyes-Koch-Lohonyai-Náday-Sándor-Szűcs-Turmezei-Windberg-Zarándy : Автономные системы камак для лабораторных целей. Москва, Физика'70 1975. Erdélyi-Hernyes-Koch-Lohonyai-Náday-Sándor-Szűcs-Turmezei-Windberg-Zarándy : Stand Alone Laboratory Instrumentation in CAMAC 2nd International Symposium on CAMAC. Proceedings Bruxelles1976. Elekes-dr. Heszberger-Faragó-Gans-Káldy-Őry-Scherzer-dr. Tarlacz-TurjányiTurmezei : N+N típusú 12 csatornás rendszer. TKI intézeti tanulmány 1977. Turmezei Péter : Применение синтеза частоты в современных аналоговых системах связи. Москва, Конференция Попов 1980.

Kótai K. - Turmezei P. : Разработка микропроцессорной системы при помощи насталной э. в. м. Москва, Конференция Попов 1982. Turmezei Péter : Über Empfindlichkeiten von Bandpassen. Institut für Nachrichtentechnik der TU Wien előadás, 1984. Turmezei Péter : Precízíós LC szűrők tervezésének kérdései. Egyetemi doktori értekezés BME 1985. Turmezei Péter : Toleranciaközpontosítás a kihozatali érzékenységek segítségével. TKI jubileumi évkönyv 1985.

Molnár Béla - dr. Darabos Zoltán - dr. Turmezei Péter : ARF 102 központok korszerűsítése elektronizálással KKMF XIV. Tudományos ülésszak Bp. 1994. júl. 6-7. Előadások IV. kötet p.82-86. Dr. Turmezei Péter : A mikroelektronika oktatása a KKMF-en. BJKMF Elektronika napja 1999. jan. Előadás.

Dr. Szentiday - dr. Turmezei – dr. Újfalussy : Az elektronika alapjai 1. rész BMF távoktatási jegyzet 188/2001 Budapest 2001. Dr. Turmezei Péter – Dr. Nemcsics Ákos : Solar Cell Structures Suitable for Military Applications. International Conference on Robot Warfare Budapest, April 2001. In Hadtudományi Tájékoztató 2001/7. szám p.132-138. Dr. Turmezei Péter – dr. Szentiday Klára : Az elektronika alapjai 2. rész BMF távoktatási jegyzet 2001/75 Budapest 2001. Dr. Turmezei Péter : Katonai célú napelemek felépítése és alkalmazási lehetőségeik. ZMNE BJKMFK Elektrotechnika és elektronika napja 2002. jan. 17. Előadás

111 Péter Turmezei – Ákos Nemcsics : Modelling of Cd4GeSe6 crystal - electrolyte junction for electrochemical solar cell purposes MIEL 2002. 23rd International Conference on Microelectronics Niš Yugoslavia 12-15 May 2002 Proceedings IEEE Catalog No. 02TH8595 ISBN 0-7803-7235-2 Vol.1. p.369370. Péter Turmezei and Ákos Nemcsics : Modelling of Cd4GeSe6 / Electrolyte Junction for Solar Cell Purposes 6th International Workshop on Expert Evaluation & Controll of Compound Semiconductor Materials & Technologies (EXMATEC 2002) Budapest 26-29 May 2002 p.152. Dr.Ing. Péter Turmezei : Konstruktion und Wirkungsgrad der Solarzellen University of Pécs, 40th Anniversary of Pollack Mihály College of Engineering XVIII. wissenschaftliches Kolloquium – Tagesband Pécs, 2002. május 31-június 1. Dr. Turmezei Péter : Nagyhatásfokú napelemek felépítése és néhány példa katonai alkalmazásukra Bolyai Szemle 2002. 2. szám ISSN 1416-1443 p.185-196. Dr. Ing. Péter Turmezei : Einige Methoden der Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarzellen Kandó Konferencia 2002. 60 év a műszaki képzésben. XVI. tudományos ülésszak. Budapest, 2002. november 14-15. ISBN 963 7158 03 0. Dr. Turmezei Péter : Katonai alkalmazású napelemes energiaellátó rendszerek alkalmazásának kérdései Nemzetvédelmi Doktorandorum. ZMNE 2002. 2. szám. Megjelenés alatt P. Turmezei and Á. Nemcsics : Modelling of Cd4GeSe6 - electrolyte junction for solar cell purposes Physica Status Solidi 2003. February No.3. pp. 967-969. WYLEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim ISSN 1610-1634 ISBN 3-527-40436-8 Dr. Turmezei Péter – dr. Nemcsics Ákos : Világűrbéli felhasználásra alkalmas napelemstruktúrák Elektronikai Technológia és Mikrotechnika. Megjelenés alatt.

112

Mellékletek

1. melléklet

Jelölések A

felület

c

fénysebesség, 2.997925·108 m·s-1

Ee

besugárzott felületi teljesítmény [W·m-2]

h

Planck-állandó, 6.6252·10-34 J·s

Ifoto

napelem fotoárama

Ir

napelemdióda rövidzárási árama

Is

napelemdióda telítési árama

J

áramsűrűség

Jr

napelemdióda rövidzárási áramsűrűsége

k

Boltzmann-állandó,1.380044·10-23 J·K-1

ni

elektronkoncentráció intrinsic félvezetőben

Na

akceptoratomok koncentrációja

Nd

donoratomok koncentrációja

N(Wp)

fotonáramsűrűség sűrűségfüggvénye a fotonenergia függvényében [s-1·m-2·J-1]

q

elemi töltés, 1.602·10-19 A·s

T

abszolút hőmérséklet [K]

UF

dióda nyitófeszültsége

Uü

napelemdióda üresjárási feszültsége

Ukmax

a konverzió maximális feszültsége

u(υ,T)

abszolút fekete test hőmérsékleti sugárzásának spektrális energiasűrűségfüggvénye [J·s·m-3]

Wp

egy foton energiája, Wp =h·υ

Wg

félvezető tiltott sávjának a szélessége

η

hatásfok

λhat

határhullámhossz

υ

foton frekvenciája

φ

földrajzi szélesség

φ

kitöltési tényező

113

Angol/amerikai betűszavak AC

Alternating Current (váltakozó áram)

BC

Buried Contact (eltemetett kontaktus)

BSF

Back Surface Field (hátoldali tér)

CVD

Chemical Vapour Deposition (gőzfázisú lecsapatás)

DC

Direct Current (egyenáram)

FF

Fill Faktor (kitöltési tényező)

HALSOL

High Altitude Solar Vehicle (nagymagasságú napelemes repülőeszköz)

LBSF

Local Back Surface Field (lokális hátoldali tér)

MBE

Molecular Beam Epitaxy (molekulasugaras epitaxia)

MOCVD

Metal Organic Chemical Vapour Deposition (fémorganikus gőzfázisú lecsapatás)

MPP

Maximum Power Point (a maximális hatásfokhoz tartozó munkapont)

MQW

Multi Quantum Well (többszörös kvantumvölgy)

PECVD

Plazma Enhanced Chemical Vapour Deposition (plazmával segített gőzfázisú lecsapatás)

PERL

Passivated Emitter and Rear, Locally Diffused (passzivált emitter, helyi diffúzió)

REM

Reflection Electron Microscope (pásztázó elektronmikroszkóp)

TCO

Transparent Conductive Oxid (átlátszó vezető oxid)

TEM

Transmission Electron Microscope (transzmissziós elektronmikroszkóp)

UAV

Unmanned Aerial Vehicle (pilóta nélküli repülő eszköz)

VPE

Vapour Phase Epitaxy (gőzfázisú epitaxia)

114 2. melléklet:

Sugárzás- és fénytechnikai mennyiségek és egységeik

Sugárzástechnikai

Fénytechnikai

Energiatípus Leszármaztatás

Jelentés

Egység

Leszármaztatás

Jelentés

Egység

Qe

Sugárzott energia

W·s

Q= ∫ Φ dt

Fényenergia

lm·s

Fényáram

lm (lumen)

dΦ dΩ

Fényerősség

cd (kandela)

dI dA·cosϑ

Fénysűrűség

cd·m-2

Kisugárzott felületi fényáram

lm·m-2

Megvilágítottság

lx·s

Megvilágítás

lx (lux)

Energia Időegységre eső energia Időegységre eső, egységnyi térszögbe emittált energia Időegységre eső, egységnyi térszögbe emittált területegységre eső energia Időegységre és területegységre eső energia Területegységre eső energia Területegységre és időegységre eső energia

Φe=

dQe dt

W

dΦe dΩ

Sugárerősség

W·sr-1

dIe dA·cosϑ

Sugársűrűség

W·sr1 ·m-2

Kisugárzott felületi teljesítmény

W·m-2

I e=

Le=

∞

Sugárzott teljesítmény

dΦe dA dQe H e= dA dΦe Ee= dA

Me=

Besugárzottság W·s·m-2 Besugárzott felületi teljesítmény

W·m-2

Φ=Km

d Φ e (λ ) v(λ )dλ dλ 0

∫

I=

L=

dΦ dA dQ H= dA dΦ E= dA

M=

A jelölések, megnevezések és mértékegységek összhangban vannak az MSZ 9620 Fénytechnikai terminológia szabvánnyal.

115 3. melléklet

A Dunasolar DS40 napelemmodul jellemzői:

116

Névleges teljesítmény Feszültség

Áram

Súly

Üresjárati Rövidzárási Méret Felület feszültség áram mmxmm sqm V oc V I sc mA 635x1245 0,8 62,20 1150

Modul típusa W V mp I mAp kg/pc 40 44,8 900 13,2 DS40 DS40024 40 32 1,25 13,2 535x1245 0,8 44,90 1600 20 44,8 450 6,6 635x622 0,4 62,2 550 DS20 10 22,0 450 3,5 317x622 0,2 27,2 580 DS10 Megjegyzés: Bármely paraméter változhat előzetes értesítés nélkül, rendelés előtt konzultáljon a gyártóval Részletes adatok:

Alapkiviteli formák

Alapanyag Cellastruktúra Elektromos kivezetés

Polaritás Üveg méretek

Vastagság (felerősítő sínek nélkül) Súly

keret nélkül műanyag kerettel alumínium és műanyag kerettel modulra ráépített akkutöltővel ( tervezett ) modulra ráépített DC/DC ill. DC/AC konverterrel (tervezett ) modulra ráépített csatlakozó dobozzal felerősítő U profil beépített záróirányú bias diódával Amorf szilícium síküvegen a-Si/a-Si tandem AWG 16 ( 1,2 mm) vezeték (más méret külön kérésre) 500 mm hossz (más méret külön kérésre) Szigetelt csatlakozók Vörös kábel - pozitív Fekete kábel - negatív 635 mm x 1245 mm 635 mm x 622 mm 317 mm x 622 mm Egyedi 6,5 ± 0,3 mm 13,2 ± 0,3 kg

117

3,5 ± 0,3 kg Állandósult elektromos Pmp – Névleges teljesítmény paraméterek @ STC* Vmax - Feszültség a maximális teljesítményű munkapontban Imax - Áram a maximális teljesítményű munkapontban Voc – Nyilthurkú (üresjárati) feszültség Isc - Rövidzárási áram Teljesítmény Tk(Pmax) = -0,19 %/K Üresjárati fesz. Tk(Voc) = -0,28 %/K Hömérsékleti együtthatók Rövidzárási áram Tk(Isc) = +0,09 %/K Maximális értékek Környezeti hőmérséklet Tamb = -30oC - + 60oC Forrasztási hőmérséklet Tad = max 250 oC, t < 2 sec Rendszerfeszültség 800 V (1000 V) A külön kérésre adott I-V karakterisztika az alábbi adatokat tartalmazza: Egyedi sorszám Mérés ideje Névleges teljesítmény ( 1000 W/m2 fényerősségnél) Üresjárási feszültség Rövidzárási áram Feszültség a maximális teljesítményű munkapontban Áram a maximális teljesítményű munkapontban Másodlagos paraméterek Fill-faktor Soros ellenállás Párhuzamos ellenállás Méréskori hőmérséklet Teljesítmény tolerancia Névleges teljesítmény ± 10 % Teljesítmény garancia teljesítményveszteség kevesebb mint 10 % / 10 év alatt Minősítés IEC 1646 folyamatban Az EPV-30 (30 W -os kiveitel a licenszadónál) megfelelt az IEEE 1262 és az IEC 1646 teszteknek az Arizónai Állami Egyetem Photovoltaic Testing Laboratory bizonylata alapján (ASU PTL). * STC - standard mérési feltételek (1000 W/m2, AM 1,5 napfény spektrális eloszlás, 25 oC

118 4. melléklet

A Magyar Honvédség rádiótenderében az akkumulátorokkal és akkumulátor-töltőkkel szemben támasztott követelmények. Akkumulátorok üzemideje: A kézi és a hordozható rádió üzemi és a készlethez (málhaegységhez) tartozó tartalék akkumulátoraival a berendezés legalább 24 óra időtartamig legyen képes teljesíteni a követelményeket, 1/1/8 adás/vétel/készenlét arány mellett, a berendezésre megadott maximális adóteljesítménnyel, ha a környezeti hőmérséklet 20 C°. Az üzemi akkumulátor állapotát a kezelő segédeszköz nélkül legyen képes ellenőrizni, és kapjon figyelmeztetést a csere szükségességéről. Akkumulátor minimális élettartama: Az akkumulátor legalább 300 ciklus (töltés kisütés) élettartamot névleges paramétereinek legfeljebb 10 %-os csökkenése mellett biztosítson. Az akkumulátor előírásszerű használata: Ismertesse az ajánlott akkumulátor használatát előíró utasításokat, elsősorban élettartamát hónapokban megadva és a nem állandó üzemeltetéssel kapcsolatos paramétereket: Térjen ki arra, hogy az akkumulátor a gyártástól számítva mennyi ideig

raktározható, eközben mekkora időközönként

szükséges feltölteni, és mennyit csökken

kapacitása a környezeti hőmérséklettől

függően. Adja meg, legalább hány ciklust

ajánlott évenként végrehajtani az

akkumulátor élettartamának megőrzése érdekében. Hordozható rádió tápellátása: A hordozható rádió saját (manpack készletezésű) akkumulátorai legyenek könnyen eltávolíthatók. A táplálás biztosítható legyen vagy szállító jármű 12 V névleges feszültségű akkumulátoráról, vagy speciális gépjármű (harcjármű) 24 V névleges feszültségű fedélzeti áramellátó rendszeréről is. Adatcsatlakozó felhasználása számítógéphez: Amennyiben az ajánlott rádió vagy tartozéka nem rendelkezik aszinkron adatátvitelre alkalmas csatlakozóval, de a 16 kbps sebességű csatlakozás hozzáférhető, akkor ajánlatot kell tenni egy illesztő egységre, mellyel a számítógép soros portja a rádió 16 kbps csatlakozójához kapcsolható, az Ajánlattevő részéről ajánlott szoftver felhasználásával. Maga a számítógép lehet kereskedelmi PC (laptop) vagy katonai kivitelű.

119

Akkumulátortöltő: Az akkumulátortöltő a rádió akkumulátoregység töltésére legyen alkalmas. Az akkumulátor egyszerűen, szakértelmet nem igénylő módszerrel legyen feltölthető. Az akkumulátortöltő kimenete legyen védett a túlárammal szemben. Normál tábori töltő: A töltő kapacitása egyidejűleg legalább egy akkumulátoregység feltöltésére legyen elegendő, és alkalmas legyen automatikus (felügyelet nélküli) üzemeltetésre. Táplálása 230 V AC névleges feszültségű hálózatról történjen. Az akkumulátor típusától és állapotától függően kisütéssel vagy gyorstöltéssel kezdje a feltöltést, majd végül - ha a kezelő nem kapcsolja ki az előírt töltési idő végén - védje meg az akkumulátort a túltöltéstől. Csoportos tábori töltő: Olyan töltő, amely eleget tesz a normál tábori töltővel szemben támasztott követelményeknek, de egyidejűleg legalább öt akkumulátoregység feltöltésére alkalmas. Speciális tábori töltő (konverter): Olyan töltő, amely eleget tesz a normál tábori töltővel szemben támasztott követelményeknek, de táplálása 230 V AC hálózat helyett a 24 V DC névleges feszültségű járműfedélzeti hálózatról történik és alkalmas a kézi, valamint a hordozható rádió akkumulátoregységének feltöltésére. Csepptöltő: Amennyiben a rádióhoz szállítandó akkumulátorok ezt igénylik, ajánlani kell egy olyan töltőt is, amely az akkumulátorok tárolásakor az önkisülés miatt elvesző energia pótlására alkalmas (csepptöltő). E változat legalább 5 telepegység egyidejű csatlakoztatására legyen használható, a töltőáram az önkisülést ellensúlyozó értékű legyen, és hozzá a rádió kezelési utasítása szerint feltöltött akkumulátorok legyenek csatlakoztathatók. Ennek ellenére a csepptöltő ne károsodjon, ha arra kisütött akkumulátort kapcsolnak; ilyen esetben a kisütött akkumulátor azonosítására alkalmas fényjelzés tájékoztassa a kezelőt. A töltők kivitele: A tábori töltők kivitelére az MSZ K 067 N 14 csoport, míg a csepptöltőre az N 1 csoport követelményei a mérvadók.

120 5. melléklet

Szilícium napelemek vizsgálatai A./ A mérés elvégzéséhez szükséges elméleti alapok: a) Az alkalmazott műszerek és a mérésekhez szükséges egyéb kellékek kezelésének ismerete; b) A szilícium napelemek fizikájának, működési elvének és fotoelektromos jellemzőinek ismerete. c) Ajánlott szakirodalom: 1. Dr. Nemcsics Ákos: A napelem működése, fajtái és alkalmazása. Főiskolai jegyzet, l. kiadás, Budapest, 1999. KKMF-1188. 2. Szentiday Klára – Dávid Lajos: Mikroelektronikai szenzorok és alkalmazástechnikájuk. Marktech Kft. Budapest, 2000 B./ A mérésekhez szükséges műszerek és eszközök: -

40 V/10 A-es szabályozható stabilizált tápegység digitális multiméter, 2 db 250 W-os jódhalogén lámpa hűthető lámpaházban optikai lovassal 250 W-os infrarubin lámpa tartóállványban elhelyezve forgatható napelem-tartó optikai lovassal optikai pad napelemmodul (6 db. napelemcella tartólemezre szerelve) hőmérő változtatható ellenállás (1 kΩ) mérőzsinórok

C./ A mérési összeállítás ismertetése A mérési összeállítást az ábra szemlélteti. Az optikai padra rögzítjük az optikai lovassal felszerelt lámpaházat és a forgatható napelem-tartót, amelyre a napelemek tartólemezét felszerelték. A mérések második csoportjában a jódhalogén lámpa helyett az infrarubin lámpát használjuk. A napelemek kapcsai között rövidzárási áramot és üresjárási feszültséget mérünk, továbbá változtatható ellenállással lezárva a napelemmodul kimeneteit, felvesszük a terhelési karakterisztikákat. A jódhalogén lámpát 6,2 A árammal tápláljuk úgy, hogy a tápegységet áramgenerátorüzemmódban alkalmazzuk. Ennél a beállításnál a lámpa 2850 K színhőmérsékletű, és megfelel a fotometriában használatos, szabványosított A-fényforrásnak. A lámpa tápáramának bekapcsolása előtt a hálózatba kapcsoljuk a lámpaházban lévő, hűtési célokat szolgáló ventillátort. A lámpára a tápellátó áramot lassan növelve kapcsoljuk rá. Miután beállítottuk a szükséges áramot, kb. 10 percig várjunk, hogy a lámpa fénye stabil legyen. A várakozási idő eltelte után kissé korrigálhatjuk a beállított áramot, ha az esetleg megváltozna. Az infrarubin lámpát közvetlenül a hálózatról üzemeltethetjük.

121

Mérési összeállítás jódhalogén lámpával D./ A napelemek fizikai és optikai jellemzőinek rövid ismertetése A napelemek működése a félvezetőkben lejátszódó fotoelektromos hatáson alapul. A napelem nem más, mint egy nagyfelületű (több négyzetdeciméter, esetleg több négyzetméter nagyságú) félvezető dióda, amelyben a megvilágítás hatására fotoáram keletkezik. A napelem energiaátalakító eszköz: a fényenergiát közvetlenül elektromos energiává alakítja át. Elektromos szempontból a napelem nagy belső ellenállású áramgenerátorként viselkedik, amelynek rövidzárási árama a keltett fotoárammal egyezik meg, míg üresjárásban sarkai között üresjárási feszültség mérhető. Terhelő ellenállással lezárva a napelemet, kimérhető a napelem sarkai között fellépő feszültség és a körben folyó áram. A különböző lezáró ellenállás mellett mérve a fenti jellemzőket, meghatározható a napelem terhelési karakterisztikája. A napelem rövidzárási árama a megvilágító fényerősséggel lineárisan változik, míg az üresjárási feszültség jó közelítéssel logaritmikus léptéket követ. A napelem hatásfoka a napelemről levehető elektromos teljesítménynek és a reá jutó fényteljesítménynek a hányadosa. A hatásfok is függ mindazon jellemzőktől, amelyeket a sötétáram esetében felsoroltunk, továbbá függ a napelem felületének reflexiós tényezőjétől, ugyanis a félvezetőfelszín a beeső sugárzás egy részét visszaveri. A hatásfok attól is függ, hogy milyen szögben éri a sugárzás a napelem-modult, és a függés mértékét a reflexiós tényező irányfüggése is befolyásolja. E./ Mérési feladatok Napelem-cellák kapcsolása Helyezzük az optikai pad egyik végpontjára a jódhalogén lámpa lámpaházát, és az optikai pad másik végére a napelemeket tartalmazó szerelvény lovasát az 1. ábra szerint. Helyezzük üzembe a lámpát (először a ventillátort bekapcsolva, majd lassan növelve a lámpa-áramot 6,2 A-ig), és állítsuk be a “d” lámpa-napelem távolságot úgy, hogy a lámpa fénycsóvája minél egyenletesebben takarja le a teljes napelem-panelt (d≈0,50,6 m). Mérjük meg a teljes napelemmodul rövidzárási áramát, majd üresjárási feszültségét!

122

A napelem rövidzárási áramának mérése.

A napelem üresjárási feszültségének mérése Zárjuk rövidre a napelemmodul kimenetét. Mérjük meg valamennyi cella feszültségét előjelhelyesen. Ismételjük meg a mérést úgy, hogy a mért cellát letakarjuk. (3. ábra)

Rövidrezárt modul cellafeszültségeinek a mérése. 2.A terhelési karakterisztikák felvétele Zárjuk le a napelem sarkait változtatható ellenállással, helyezzünk a napelem áramkörébe árammérőt, és a napelem sarkaira kapcsoljuk voltmérőt. Változtassuk az ellenállást, és vegyük fel a feszültség függvényében az áramot. Számítsuk ki minden pontban a leadott teljesítményt! Ábrázoljuk a két karakterisztikát mm-papíron. Legalább 6-8 pontban végezzük el a méréseket! Határozzuk meg a maximális teljesítményhez tartozó munkapontot (MPP: Maximum Power Point).

123

Terhelési karakterisztika felvétele

3. A rövidzárási áram szögfüggésének meghatározása Határozzuk meg a rövidzárási áramot a panel elfordulási szögének függvényében. Legalább 4-5 mérést végezzünk! Ábrázoljuk polárkoordináta-rendszerben a rövidzárási áram szögfüggését.

Mérési összeállítás a szögfüggőség vizsgálatához 4.Hőmérsékletfüggés vizsgálata A napelemek elektromos jellemzői hőmérsékletfüggők. Ennek vizsgálatára cseréljük ki a jódhalogén lámpát infrarubin lámpára, és ezt a lámpát helyezzük mintegy 10 cm-re a napelem-paneltől. Rögzítsünk higanyos hőmérőt a napelem-panel fölé úgy, hogy a lámpa fénye a hőmérőt is sugározza be. Állítsuk össze a rövidzárási áram mérésére alkalmazható kapcsolást. Mérjük meg a rövidzárási áramot közvetlenül a lámpa bekapcsolása után, majd végezzünk méréseket 3 percenként, kb. egy negyed óráig. A rövidzárási áram leolvasásával egy időben olvassuk le a hőmérő állását is. Ábrázoljuk mm-papíron a rövidzárási áramot a hőmérséklet függvényében!

124