Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI- ÉS INFORMATIKAI KAR ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK INTÉZETI TANSZÉKE 3515 MISKOLC-EGYETEMVÁROS
Feladat címe:
Napelemes villamos energiaellátó rendszer vizsgálata Készítette:
Pesel Tibor BSc szintű, energetikai mérnök szakos Gépészeti szakirányos hallgató
2014/15 TANÉV, 1. FÉLÉV
ÖSSZEFOGLALÁS Mérésem az Áramlás- és Hőtechnika Gépek Intézeti Tanszék amorf szilícium napelemének és az Elektrotechnikai - Elektronikai Intézeti Tanszék polikristályos napelemének összehasonlításáról szól. 3-3 hetet mértem mindkét napelemmel, majd összehasonlítottam az összegyűjtött értékeket. A komplex feladatom során elvégzett mérésemet bővítettem, fejlesztettem tovább. Ott a tanszékem mobil napelemes
mérőállomását
használtam,
amely
mellett
a
fényintenzitást
manuálisan, multiméterrel mértem. Ennél a mérésnél viszont erre nem volt lehetőség, ezért automatizálnom kellett a fényintenzitás mérését. Ezt a National Instruments 9162-es adatgyűjtő mérőkártyával oldottam meg, amelyet az Anyagmozgatási és Logisztikai Tanszéktől kértem el. Ezzel az eszközzel és egy egyszerű Labview programmal kiviteleztem a fényintenzitás mérő értékének óránkénti lementését. A napelem töltésszabályzója egy PLC is egyben, így a számítógépemmel való szinkronizálás után, a PLCOM Software segítségével könnyen lementhettem a szükséges információkat. Fontos volt, hogy a 2 műszer szimultán
mentsen,
hogy
az
aktuális
besugárzott
energiához
tartozó
teljesítményértékeket tudjam meghatározni. A napelem mérő állomást otthon, a kertünkben állítottam fel Hajdúdorogon. Ott megfelelő körülmények mellett, biztonságban el tudtam helyezni a rendszert. Mivel Hajdúdorog az északi szélesség 47° 48' 59.7" keleti hosszúság 21° 29' 53" helyezkedik el, ezért a napelemeket délnek tájoltam, a földfelszínnel 45°-t bezárva, hogy a napsugarak minél jobban derékszögben érjék a napelemet. Mivel komplex feladatomnál is ugyanezzel a szigetüzemű napelem rendszerrel dolgoztam, így könnyen fel tudtam azt állítani, és a számítógépemmel szinkronizálni. Mérésem első felében 2 50 wattos napelem volt párhuzamosan kötve. Második felében pedig egy darab 80 wattosat használtam.
2
SUMMARY My measurement is about the comparison between the amorphous silicon solar cell of the Department of Fluid and Heat Engineering and the polycrystalline solar cell of the Department of Electronics and Electrical Engineering. I spent 3-3 weeks with the measurements about both cells, and then compared the results. I upgraded my measurements in my Complex Task. At the department I used mobile measuring station powered by solar cells. But at this measurement I had to automate the process with the light intensity. I solved this with a National Instruments 9162 unit. I borrowed it from the Department of Logistics. With this tool and a simple Labview program I achieved these results. The solar cell’s charge control is a PLC at the same time. After the synchronization with my PC, I saved the necessary information easily with a PLCOM Software. It was important that the instruments save simultaneously because the determination of the performance values.I’ve built the station at home. The conditions were appropriate for the system. Due to the coordinates I oriented the solar cells for south. I’ve used the same system for my Complex Task so it was easier to maintain and synchronize with. In the first half I’ve used two solar cells with the power of 50Watts in parallel. In the second half of the measurement I used a single solar cell with the power of 80 Watts.
3
EREDETISÉGI NYILATKOZAT
Alulírott
……………………………………………………….;
Neptun-
kód:………………… a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős ……………. szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy ……………………………………………………………………………………………… című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: -
szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése.
Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc,.............év ………………..hó ………..nap
…….……………………………….… Hallgató
4
Tartalom ÖSSZEFOGLALÁS ................................................................................................. 2 SUMMARY .............................................................................................................. 3 1. BEVEZETÉS .................................................................................................... 6 2. A NALEPEM FELFEDEZÉSÉNEK RÖVID TÖRTÉNETE ................................ 7 3. A NAPELEMEK ELMÉLETI ALAPJAI ............................................................. 13 4. A NAPELEMEK FAJTÁI ................................................................................. 18 4.1 Első generációs napelem ............................................................................. 19 4.1.1 Kristályos napelemek: egykristályos és polikristályos szilícium ............. 20 4.1.2 GaAs (gallium-arzénid) és Ge (germánium) .......................................... 21 4.2 Második generációs, vagy vékonyréteg napelemek..................................... 22 4.2.1 Amorf és mikrokristályos szilícium ......................................................... 23 4.2.2 CdTe (kadmium-tellúrid) ........................................................................ 23 4.2.3 CIGS (réz-indium-gallium-diszelenid) .................................................... 24 4.3 Harmadik generációs napelemek................................................................. 24 4.3.1 Nanokristályos napelemek..................................................................... 24 4.3.2 Polimer alapú (szerves) napelemek....................................................... 25 5. A NAPBÓL ÉRKEZŐ ENERGIA NAGYSÁGRENDJE .................................... 26 6.
A NAPELEMEK IGAZI ELŐNYE .................................................................... 30
7. A VIZSGÁLÓ BERENDEZÉS BEMUTATÁSA ................................................ 31 8. MÉRÉSI EREDMÉNYEK ................................................................................ 44 8.1 Amorf szilícium napelem .............................................................................. 44 8.2 Monokristályos napelem .............................................................................. 55 9. Összegzés ...................................................................................................... 68 5
Irodalomjegyzék .................................................................................................... 69
1. BEVEZETÉS
A klímaproblémákkal kapcsolatoskutatások fontos következtetése: soha nem látott nehézségű és kifejezetten sürgető kihívásokkal kell szembenéznünk a következő
10-50
manipulációkra,
évben. a
Gondoljunk
fenntartható
csak
energia
a
biotechnológiai
kérdésére,
az
genetikai
atomerőművek
problémájára, vagy - alapvető szükségletünk - az ivóvíz új forrásainak megóvására, felkutatására… Az energiatermelés –elosztás és –fogyasztás korábbi rossz gyakorlata a természeti források kimerüléséhez, a környezet gyors és nagymértékű pusztulásához, a fajok kihalásához vezet.Az egész emberi faj, az emberiség érdeke, hogy az energiatermelés és –elosztás mielőbb új technikai eszközökkel és új formákban történjen. Azonnal új tudományos világképre van szükség, a társadalmi és üzleti élet minden területén. Ez valószínűleg jelentősen befolyásolja majd a hatalmi szerkezeteket is. Elsősorban az energiatermelés-, elosztás és –felhasználás hatékonysága a leginkább érintett területek. Mindent meg kell tenni ahhoz, hogy az emberiség a jelenlegi állapotból mielőbb eljusson a „Napkorszakba” melynek kapui már nyitva állnak. Hagyományos energiakészleteink kimerülőben vannak, új technikák, új technológiák jelentek meg az
energiatermelésben.
A
megújuló
energiákkal
való
foglalkozás,
ezek
elterjesztése, sürgető társadalmi szükségszerűség. A változások az egész társadalmat érintik, de az új eszközök elterjedése csak akkor lehet sikeres és elfogadott, ha azok kivitelezése szakszerű. Minél előbb szükség van egy új szakember-generációra, akik szakszerűen és értően kezelik a mostani és a felmerülő újabb problémákat. Ez elsősorban a következő évek feladata lesz, de a szakma mai irányítóinak felelőssége is nyilvánvaló. Feladatunk, hogy mielőbb átadjuk az információnkat és tudásunkat fiataljainknak.
6
Edison 1931-ben mondta: „Minden pénzem a Napba és a napenergiába fektetném. Micsoda energia! Remélem, nem kell kivárnunk, míg az olaj és szén kifogy, mielőtt elérhetjük.
2. A NALEPEM FELFEDEZÉSÉNEK RÖVID TÖRTÉNETE
A fotovoltaikus anyagok fényenergiából elektromos áramot állítanak elő. A jelenséget először Edmond Becquerel ismertette 1839-ben, mindössze 19 éves korában, amikor rájött, hogy bizonyos anyagokban elektromos töltésáramlás indul meg fény hatására. A legjobb eredményeket ultraibolya és kék fény használata mellett érte el AgCl (ezüst-klorid), illetve AgBr (ezüst-bromid) bevonatú platina elektródák használatával (1. ábra)[1].
1. ábra Becquerel kísérleti elrendezése
Az 1860-as években Willoughby Smith tengeralatti felhasználására készülő kábeleken, kristályos szelénnel való kísérletei közben figyelt fel arra, hogy a szelén
máshogy
vezeti
az
áramot
fotokonduktivitás jelensége.
7
világosban,
mint
sötétben,
ez
a
2. ábra Charles Fritts féle napelem
Az 1870-es években Heinrich Hertz kísérletezett a szelénnel, és az általa készített fotovoltaikus cellák, nagyjából 1÷2 %-os hatásfokkal működtek. Az első igazi napelemet Charles Fritts készítette, aki egy táblára finom rétegben szelént vitt fel, amit aranyfilmmel vont be (2. ábra). 1885-öt írtak ekkor. Ez már folyamatosan tudott áramot termelni [1].
3. ábra Ernst Werner von Siemens
Fritts optimistán ki is jelentette, hogy „egy napon még a fotovoltaikus áramtermelés versenyre kelhet a széntüzelésű elektromos erőművekkel" - amiből az elsőt egyébként Thomas Edison építette alig három évvel korábban. Fritts el is küldte napelem modulját Ernst Werner von Siemensnek (3. ábra) akinek elismertsége Edisonéhoz volt hasonló az elektromosság területén akkoriban, és aki szintén kísérletezett szelénnel. Siemens a „fotovillamosságnak" óriási jelentőséget tulajdonított, azonban igazi magyarázatot a fotovoltaikus jelenségre ekkor még senki se tudott adni, pedig Siemens is sürgette a további kutatásokat [1].
Azonban a tudományos kutatások inkább a termál-fizika irányába indultak, ráadásul az elektromos áram előállítására sorban érkeztek a megoldások (hő, víz, 8
gázerőművek).
Akkor
még
nem
volt
ismert
a
Napból
érkező
teljes
energiaspektrum felépítése.
1905-ben Einstein egy akkor tudományos körökben meglepetést keltő tanulmányt tett közzé, melyben a Napból érkező energiacsomagokról írt, melyet ő quanta-nak hívott (és ma mi fotonnak). Felfedezése nyomán számos kutatás indult újra, és a 20-as évekre lett tisztázva, hogy a rövidebb hullámokban érkező fotonok sokkal erősebb fotovoltaikus hatást keltenek, és a félvezető anyagokban a „gyengébben" kötődő elektronokat le tudják szakítani az atom körüli pályáról és az elektronok mozgása pedig maga az elektromos áram [1]. A magyarázat tehát meglett, a napelemek mégse indultak gyors fejlődésnek: az akkori kutatások és a felhasznált alapanyagok rendkívül drágák voltak, és ahogy fejlődni kezdett az energetikai üzlet, egyre többen látták be, hogy az akkori napelem modulok sose hozzák be előállítási költségüket az általuk termelt árammal. Ráadásul a szelén modulok gyorsan veszítettek is teljesítményükből. Így az első próbálkozások után, majd a két világháborúval egy időre háttérbe kerültek a napelemek és a fotovoltaikus kutatások és csak az 50-es években indultak igazán újra. A korai próbálkozások után az 50-es évek elején az amerikai Bell laboratóriumban Calvin Fuller és Gerald Pearson folytatott kísérleteket szilícium tranzisztorokkal, ők ültették át gyakorlatba az elméletet és hozták létre az első jól működő tranzisztorokat,
ami
napjainkban
szinte
minden
elektronikus
eszközben
megtalálható. Kísérleteik közben figyeltek fel arra, hogy a szilíciumot galliummal vegyítve pozitív, míg lítiummal bevonva negatív töltésűvé válik és a kettő találkozásakor állandó elektromos mező jön létre. Fuller és Pearson a tranzisztorokra koncentrált a továbbiakban is, de egy munkatársuk, Darryl Chapin akkumulátorok és áramellátás lehetőségeit kutatta (4. ábra). Ugyanis az akkori száraz-cellás akkumulátorok trópusi környezetben nagyon gyorsan elhasználódtak, és erre kerestek alternatív megoldást a Bellnél. A
9
hő, szél és gőz-alapú áramtermelés mellé Chapin javaslatára a fotovoltaikus lehetőségeket is bevették a kutatásokba [1].
4. ábra Gerald Pearson, Calvin Fuller és Darryl Chapin
1953 februárjára Chapin először szelénnel próbálkozott, amivel már az 1800-as évek végén értek el eredményeket. Az első elkészült napelem 0,5 %-os hatásfokú volt. Ekkor jutott el a párhuzamos kutatás híre Pearsonhoz (bár egy cégnél dolgoztak, de más területen), aki azt javasolta Chapinnek, hogy szelén helyett szilíciummal próbálkozzon. És igaza volt: a második napelem a Bell Labs mérései szerint már 2,3 %-os hatásfokot produkáltak. Chapin meglátta a lehetőséget, és első számításai szerint elméletileg akár 23 %-ra is képes lehet a szilícium. Reális célként azonban 5,7 %ot tűzte ki magának, mert az önálló áramtermeléshez és akkumulátorok töltéséhez (alapfeladatához) ez felelt meg. Itt azonban megtorpantak a kutatások: egyrészt mert a fényes szilícium visszaverte a napfény nagy részét, ahelyett, hogy a fotonok a lazán kötődő elektronokat mozgatnák, azaz áramot termelnének. Chapin fejlesztette ki az első tükröződést tompító megoldást: matt, de átlátszó műanyaggal vonva be a szilícium felületét, amivel már 4 % közelébe került a hatásfok. Az 5÷6 %-os cél még mindig messze volt. Ekkor azonban az RCA, az akkori fő amerikai rivális az elektronikai fejlesztésekben hangzatos bejelentést tett saját fejlesztéséről, ahol szilíciumot 10
stroncium-90-nel vegyítve állítottak elő félvezető és áramtermelő forrást. A biztonságos tárolás hiánya és a stroncium erős radioaktív sugárzása miatt ez a megoldás sose került mindennapi használatra, de fokozta a nyomást a Bell kutatóin és Chapin mellé áthelyezték Fullert is. Fuller kémikus volt, és hónapokon belül megoldotta Chapin több problémáját is, főként a szilícium arzénnal és bórral való kezelése révén tovább csökkentette a fényvisszaverődést, a vékony rétegek növelték a pozitív töltöttséget. 1954 első napos délelőttjén 3 cellát teszteltek, és az egyik közel 6 %-os ért el (ami pl. a mai
aSi napelemek hatásfokának felel meg). Chapin, Fuller és hozzájuk csatlakozva Pearson
tucatnyi
napelem-táblát
szerelt
össze,
és
a
sikertől
és
megismételhetőségtől fellelkesülve „elsődleges áramtermelési megoldást" láttak a napelemekben [1].
A Bell 1954. április 25-én mutatta be a nagyközönségnek napelemeit, kivívva a washingtoni Nemzeti Akadémia elismerését is. A New York Times első oldalon számolt be az eredményről, amelyet az 5. ábrán olvashatunk. Egy új korszak kezdetéről írtak, ami „elvezethet az emberiség egyik legfontosabb álmához, a Nap végtelen energiájának használatához a civilizáció szolgálatában". Ezzel kezdődött napelemek felhasználásának rögös útja [1].
11
5. ábra A New York Times cikke a Bell napelemről [8]
12
3. A NAPELEMEK ELMÉLETI ALAPJAI
Mint azt ma már tudjuk, a Földi élet elengedhetetlen eleme a Nap melege és annak sugárzási energiája. A napenergia felhasználásnak alapvetően két ismert módja az aktív és a passzív felhasználás. A passzív jelenti az adott építmény megfelelő tájolását, külön kiegészítő eszköz használata nélkül. Itt gondolhatunk az épületen megfelelően elhelyezett üveg felületekre, ami akár télen a fűtésben is részt vehet, vagy üvegházi alkalmazások. Az aktív a nap energiájának átalakítása villamos – vagy hő energiává. Az aktív hasznosítás tehát lehet fotovillamos(napelem), amely villamos energiát állít elő vagy termikus(napkollektor), amely hő energiát termel. A napsugárzás intenzitása a légkörön való áthaladáskor csökken (a légkör alkotórészei részben elnyelik, részben visszaverik és megtörik a sugárzást). A légkör határáig párhuzamosnak tekinthető sugárnyalábok egy része a légkörben szórt (diffúz) sugárzássá alakul. Ezt a 6. ábra jól mutatja.
6. ábra A Napból érkező sugárzás eloszlása [9]
13
A 7. ábra pedig a napsugárzás intenzitásának spektrális eloszlását szemlélteti légköri abszorpció nélkül és légköri abszorpció figyelembe vételével. A spektrumok merőleges beesés és tiszta égbolt esetére vonatkoznak. A napenergiát hasznosító berendezések általában a légkörön áthaladó közvetlen sugárzás és a szórt sugárzás összegével, azaz a teljes sugárzási energiával működnek. A Nap az elektromágneses sugárzáson kívül részecske sugarakat is kibocsát, amelyek nagyrészt gyors mozgású, elektromos töltéssel rendelkező elemi részekből és ionokból áll. A napenergia hasznosítása szempontjából a részecskesugárzásnak nincs jelentősége. A Nap luminozitása, azaz a kisugárzott összteljesítménye 3,84 1026 W. Átlagos Nap-Föld távolsággal számolva a légkör tetején a kisugárzott felületi teljesítmény 1.350
. Ezt az értéket műholdak
segítségével határozták meg [4].
7. ábra A napsugárzás intenzitásának spektrális eloszlása [4]
A napelem-modulok áramgenerátoros jellegük miatt nem érzékenyek a rövidzárra, de kívülről feszültséget nem szabad rájuk kapcsolni (a párhuzamosan kötött további modult kivéve), mert az, károsodáshoz vezethet. Az izzónak is áramgenerátoros jellege van, tehát a maximális teljesítményt napelemről izzóval 14
lehet levenni, mert az izzó belső ellenállása mindig annyi, mint a napelemé. A napelem-tábla, cellák modulárisan felépített rendszeréből áll. A napelem-modulok sorosan és párhuzamosan is összeköthetők. Az azonos üresjárási feszültség napelem-modulok párhuzamosan köthetők, viszont sorba csak azonos típusokat szabad kötni. Soros kapcsolással a feszültség, párhuzamos kapcsolással pedig az áram növelhet tetszés szerint. A napcellák teljesítménye függ annak típusától (monokristályos, polikristályos, illetve amorf szilícium kristályos), méretétől, a sugárzás intenzitásától és a sugárzott fény hullámhosszától, valamint annak beesési szögétől. A déli tájolás feltétlenül fontos, a dőlésszöget pedig a napelem hatásfoka és a földrajzi szélesség határozza meg.
A napelemek áramerősség-feszültség karakterisztikája nemlineáris, azonban annak alapján grafikusan meghatározhatjuk az adott megvilágítás mellett, a leadott maximális teljesítményt, és így a napelem hatásfokát (8. ábra). Ehhez az áramerősség-feszültség grafikonon, az (IR, Uo) ponthoz, az origóból húzott egyenesnek a grafikonnal való metszéspontja adja meg az optimális áram- és feszültség értékeket (Im, Um). A maximálisan kivehető teljesítmény Pm=Um Im értékét az ábrán a satírozott rész szemlélteti. E területnek és az üresjárási feszültség és rövidzárási áram szorzata által meghatározott területnek a hányadosa a napelem ún. kitöltési tényezője (φ) [2]: Φ
(1)
15
8. ábra Kitöltési tényező
A φ értéke változó, a gyakorlatban 0,75÷0,85 közé esik. A napelem hatásfokát a maximálisan kivehető elektromos teljesítmény és a beeső Pfoto fényteljesítmény adja [2]: η=
Φ
=
(2)
Minél nagyobb a napkollektor hatásfoka, annál kisebb dőlésszöget választhatunk, a tavaszi és őszi napsütést kihasználására. Magyarországon a napkollektorok dőlésszöge általában 40÷70 ° között változik. Az optimalizált rendszereknél a télen megtermelhető energia hatoda a nyári teljesítménynek, annak ellenére, hogy a téli hidegben kb. 15 %-kal jobb hatásfokkal dolgoznak a napelemek, mint a nyári melegben. Ezt a 9. ábra jól mutatja. Az ábra bal oldalán áramerősség - feszültség
16
karakterisztika látható különböző hőmérsékleteken, jobb oldalán pedig különböző beeső sugárintenzitásokon.
9. ábra Áramerősség - feszültség karakterisztika
A bal oldali ábrán látható, hogy a hőmérséklet növekedésével a rövidzárási áram kissé nő, még az üresjárati feszültség jelentősen csökken. Jó közelítéssel a rövidzárási áram változásától eltekinthetünk. A jobb oldali ábrán pedig látható, hogy a sugárzás intenzitásának változása lényegesen nem befolyásolja az üresjárati feszültséget, az a névleges érték közelében marad. A sugárzás intenzitása az áramerősségre (terhelhetőségre) gyakorol hatást: nagyobb sugárzásintenzitás mellett nagyobb áramerősséggel terhelhető. Mivel a napelem teljesítménye az áramerősség és a feszültség szorzata, könnyű belátni, hogy a napelem által leadható teljesítmény a sugárzás intenzitásának függvénye: gyenge (szórt) sugárzásban a teljesítmény kicsi, erős (direkt) sugárzásban nagy lehet.
17
4. A NAPELEMEK FAJTÁI
A különböző megoldások és technológiák abban közösek, hogy a szerkezet alapvetően két kontaktus közötti pn átmenetből állnak, azaz a foto generált töltéshordozó párok szétválasztását célzó beépített elektromos erőtérre épülnek. Amikor egy megfelelő energiájú foton a pn átmenet közelében elnyelődik, a záró rétegen át felépülő térerő által szétválasztott töltéshordozók a megfelelő kontaktusokon át elvezetve elektromos áramot hoznak létre. Igazi nagy előnye ennek a módszernek az, hogy a fény elektromos árammá történő átalakítása mozgó alkatrész nélkül, közvetlen módon történik, ráadásul a napelemek addig működnek, amíg fény éri a szerkezetet. Tartósságuk igazi bizonyítéka, hogy a legtöbb gyártó eleve 30 év garanciát vállal termékére, de a legtöbb esetben nem ismert olyan degradációs mechanizmus, ami a cellák későbbi romlására engedne következtetni. A fentebb vázolt egyszerű elv sokféle megvalósítást tesz lehetővé, melyeket két nagy csoportba szokás sorolni. Az 10. ábra bal oldalán megfigyelhető első generációs, tömbi napelemszerkezet igazi nagy különbsége a 10. ábra jobb oldalán látható második generációs vékonyréteg, pl. réz-indiumdiszelenid (CIGS) vékonyréteg szerkezethez képest, hogy az előbbiben a napelemet tömbi anyagban, a hagyományos IC gyártás költségesebb lépéseivel alakítják ki, míg az utóbbiban különálló vékonyrétegek egymásra építésével alakítják, hozzák létre a fényelektromos konvertáló szerkezetet [3].
10. ábra Első generációs egykristályos Si és második generációs CIGS napelemek vázlata
18
Az első generációs tömbi, valamint a második generációs vékonyréteg technológiák ipari alkalmazása mellett világszerte folynak kutatások új elveken és konstrukciókon alapuló 3. generációs napelemek technológiai fejlesztésére. Ezek elsősorban nanoszerkezetek és polimerek, ún. nanokompozitok felhasználásán alapulnak [3].
4.1 Első generációs napelem
Első generációs napelemet egykristályos és multikristályos Si (szilícium), GaAs (gallium-arzénid) és Ge (germánium) alapanyagokból állítanak elő. A kristályos napelemek
a
legrégebben
használt,
legkiforrottabb
és
a
legelterjedtebb
technológiának számítanak. A napelemek a kristályos technológia esetén nagy tisztaságú szilícium cellákból épülnek fel, melyek sorba kötve és vízmentesen egy üveglap és egy műanyag hátlap közé laminálva kerülnek gyártásra. A cellák gyártási technológiája alapján megkülönböztetünk monokristályos és polikristályos cellákat. A különbség a két technológia között a szilícium tömbök előállításában van, amiből a cellákat vágják.
19
4.1.1 Kristályos napelemek: egykristályos és polikristályos szilícium
A monokristályos szilíciumot elektromos térben húzzák ki henger alakúra és a szilícium egy tömbben dermed meg. A polikristályos cellákat pedig öntik egy négyzet alapú tömbökbe, eközben a szilícium több kristályban dermed meg. Leggazdaságosabban nyolcszög alakú cellákat lehet vágni a mono tömbökből. A polikristályos négyzet, a monokristályos nyolcszög alakú cellákkal rendelkezik, mint ahogy azt, a 11. ábrán láthatjuk.
11. ábra Monokristályos (bal oldal) és polikristályos napelem(jobb oldal)
A gyártási eljáráson kívül a mindennapi gyakorlatban csak nagyon kevés és kismértékű különbség van a mono- és polikristályos napelemek között, hiszen végül is mindkét esetben ugyanaz a szilícium a félvezető réteg. Forró égövben a monokristályos modulok kicsit jobban teljesítenek, míg északon a polikristályos teljesít jobban [3]! Közép-Európában gyakorlatilag azonos mennyiségű áramot lehet megtermelni velük ugyanakkora összteljesítmény esetén, így jellemzően a gyártó, az ár, a beszerezhetőség és a tetőn való elhelyezhetőség alapján szokás választani köztük. Talán még annyi, hogy a polikristályos napelemek jobban teljesítenek szórt fénynél, de a különbség nem számottevő [3]!
20
A Si alapanyag igazi előnye, hogy nagy mennyiségben áll (oxid formájában) rendelkezésre, és az IC gyártáshoz előállított egykristályos alapanyag selejtjét is képes polikristályos alapanyag előállítására hasznosítani, ami az amúgy igen magas gyártási költségeket csökkenti. A termelés volumenének drasztikus megnövekedése miatt azonban ez a hulladék mára már nem képes fedezni az ún. multikristályos napelem gyártás igényeit, ami új olcsó alapanyag előállítási technológiák kifejlesztését tette szükségessé. Mindazonáltal egyelőre ez a technológia a legkiforrottabb és ez által az uralkodó is a piacon. A világon üzembe állított napelemek több mint 80 %-a tömbi Si technológiával készült. Egy átlagos multikristályos fotovillamos cella hatásfoka 15 % fölött is lehet [3].
4.1.2 GaAs (gallium-arzénid) és Ge (germánium)
A GaAs és a Ge napelemek többnyire az igen magas hatásfokot igénylő alkalmazásokban kapnak szerepet. Tipikus felhasználási területük az űrkutatás, ahol az előállítás költsége kisebb súllyal esik latba, mint a napelem hatásfoka. Ezeket a kisméretű cellákat ún. koncentrátorral kombinálják, ami mind az energiasűrűség növelése, mind a költséghatékonyság szempontjából előnyös [3]. Lényege, hogy a nap fényét lencsékkel, illetve tükrökkel a cella tényleges méretének sokszorosát kitevő felületről gyűjtik össze, így a cellát érő fényintenzitást tíz-, száz-, vagy sok ezerszeresére lehet növelni. A koncentrált sugárzás tovább növeli a cellák amúgy is magas, nem ritkán 30 % fölötti hatásfokát is, bár ilyen alkalmazásoknál az aktív hűtés elengedhetetlen [3].
21
4.2 Második generációs, vagy vékonyréteg napelemek
A köznyelv a gyorsabb kimondhatóság kedvéért vékony-napelemnek nevezi. Hatásfokuk megközelíti (sőt, van, amelyik túl is szárnyalja) a többkristályos napelemnél tapasztalt éréket. Átlagos hatásfoka jelenleg 8÷10 %, legrosszabb 5 %, a legjobb pedig akár 15 % is lehet. Összességében a vékonyfilm napelemeknél elmondható, hogy nem csak az optimális telepítési szögnél (Magyarországon ez 45°) képesek a névleges teljesítményüket leadni, hanem attól akár 15°-os eltérés esetén is. Ezáltal a napelemeket 30 és 60 fokos dőlésszög tartományban telepíthetjük. A hagyományos napelemekkel szemben bizonyos mértékben a szórt napfényt is villamos energiává tudják alakítani.
Ezeket a napelem típusokat leginkább amorf és mikrokristályos Si (szilícium), CdTe (kadmium-tellúrid) és réz-indium-gallium-diszelenid (CIGS) alapanyagokból állítanak elő. Igazi előnyük a kis alapanyagigény mellett, hogy nagy felületen olcsón állíthatók elő, valamint, hogy hordozójuk közönséges ablaküvegen kívül hajlékony polimer vagy fémfólia is lehet, ami a gyártásoptimalizálás mellett a sokoldalú alkalmazhatóságot növeli [3].
Itt a félvezető réteget kémiai vagy fizikai lecsapatással közvetlenül az üvegre, vagy akár más hordozó felületre viszik fel. Egységesen bevont felületről beszélünk, ahogy néhány mikron vastagságban, szinte filmrétegként viszik fel a félvezető réteget. A halvány csíkok utólagos, lézerrel történt bevágások a filmrétegen, ami a kedvezőbb volt- amper arányok beállítása miatt szükséges.
Mivel kisebb a hatásfokuk, így családi ház tetőére nagyon ritkán kerülnek, mert nagyobb a területi igényük a kristályos napelemekhez képest. Inkább erőműi (földre telepített) alkalmazásuk gyakoribb.
22
A vékonyrétegű napelemeknek jobb a hőmérsékleti együtthatója, így főként a sivatagos, nagyon meleg környezetben (tehát nem Közép-Európában) van előnye, mert nagy melegre kevésbé érzékenyek, mint a kristályos napelemek.
4.2.1 Amorf és mikrokristályos szilícium
Az olcsó és hozzáférhető alapanyag és gyártástechnológia mellett az amorf (12. ábra) és mikrokristályos Si cellák hátránya, hogy amúgy is alacsony, 7÷8 % körüli hatásfokuk idővel némiképp romlik. Egyes gyártók ezt a „degradációt” már elhanyagolható szintre csökkentették egyebek közt az amorf aktív réteg mikrokristályosításával [3].
12. ábra Amorf napelem
4.2.2 CdTe (kadmium-tellúrid)
Az új technológiák közül az egyik, nagy reményekkel kecsegtető a CdTe vékonyréteg napelem szerkezet. Olcsó gyártási költségek mellett magas, 10 % körüli hatásfokot lehet elérni. Robbanásszerű elterjedésnek némiképp gátat szab az alapanyagok és technológiák környezetre káros volta, amit viszont a gyártó az elhasznált
napelemek
visszavásárlásával
és
központi
kármentesítéssel
kompenzál. Kereslet erre a napelem típusra óriási, azonban egy kardinális problémával küzd ez a fajta napelem: nem túl gyakori tellúrid az egyik 23
összetevője. Felvetődik a gondolat, még is miért ilyen olcsó, annak ellenére, hogy ritka anyagokból állítják elő. Erre azt az egyszerű választ adhatjuk, hogy a CdTe napelemek gyártása úgynevezett vékonyréteg eljárással készül, ami azt jelenti, hogy egy 75 W-os napelem táblához mindössze 1÷2 gramm az aktív alapanyag kell. Azonban hiába a minimális alapanyag igény és az olcsó gyártás, az egyre növekvő szolár ipart a Föld véges tellúrid készlete nem tudja/tudná kiszolgálni. Napelemes piacot nem fogja megváltani ez a típus [3]. 4.2.3 CIGS (réz-indium-gallium-diszelenid)
A CdTe cellák nagy riválisa a környezetbarát CIGS napelem család. Alapanyagaik sokfélesége és változatossága miatt ez a technológia óriási potenciállal rendelkezik a kutatók számára. A jelenlegi igen magas, 12 % körüli hatásfok további fejlesztéssel akár még 18 % fölé is növelhető. Pillanatnyilag hátránya a magasabb gyártási költség, melynek egyes gyártók a drasztikus csökkentését ígérik a forradalmi újításoknak köszönhetően. A vékonyréteg napeleme
az
iparág
dinamikusan
növekvő
szegmensét
alkotják.
Piaci
résesedésük a 2007-es 10 %-ról 2009-re már 19 %-ra nőtt [3].
4.3 Harmadik generációs napelemek 4.3.1 Nanokristályos napelemek
Ezeket az eszközöket kompozitok (több fázist tartalmazó szilárd anyagok) felhasználásával alakítják ki. Nanokompozit anyagról akkor beszélhetünk, ha legalább az egyik fázis mérete olyan, hogy valamely dimenzióban kisebb 100 nanométernél, azaz a molekuláris és a makroszkopikus méretek között helyezkedik el. Az ilyen anyagokat komponenseikhez képest új tulajdonságok, speciális kvantumhatások és a nagy fajlagos felület miatt létrejövő új jelenségek jellemzik. A nanokompozit anyagok lehetnek kerámia, fém vagy polimer hordozóban (mátrixban) diszpergálva. Morfológiailag lehetnek nano-csövek, szálak és -részecskék formájában kialakítva. Előállításukra is számos különféle
24
(nedves
kémiai,
gőzfázisú,
elektrokémiai
valamint
vákuumporlasztásos)
technológiát alkalmaznak [3].
4.3.2 Polimer alapú (szerves) napelemek
A szerves polimer alapú napelemeket jellemzően nanokompozit vékonyréteg formájában készítik. Lényeges előnyük az, hogy könnyűek, alacsony költséggel állíthatók elő, valamint az, hogy az ismert nyomtatási eljárásokkal (pl. tintasugaras nyomtatás) merev és flexibilis felületekre egyaránt felhordhatók. Az „egyetlen” probléma, hogy alacsony a hatásfokuk [3].
25
5. A NAPBÓL ÉRKEZŐ ENERGIA NAGYSÁGRENDJE
Az
Európai
Bizottság
Egyesített
kutatóközpontjának
adatai
szerint
(http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/) Magyarország területén a napsugárzás átlagos teljesítménye (horizontálisan elhelyezett mérőfelületen) 1.200 kWh/m2 év (ez az adat mérési eredményekből képzett átlag, figyelembe veszi az éghajlati és domborzati tényezőket is.) Eloszlását Magyarország területén a 13. ábra, hónapokra tagolva a 14. ábra mutatja [2].
13. ábra A Napból érkező sugárzási energia eloszlása Magyarország területén
Figyelembe
véve,
hogy
a
93.000
km
területű
Magyarország
éves
elektromosenergia-fogyasztása 40 TWh, megállapítható, hogy a Napból érkező energia kb. 2.500-szorosa a teljes elektromos-energiaigényünknek [2]!
14. ábra A napból érkező sugárzási energia havi átlagértékei Magyarországon
26
Magyarországon tehát nincsenek meteorológiai okokból eredő gazdasági korlátai a napelemek alkalmazásának, bár kétségtelen, hogy a Napból éves viszonylatban beérkező sugárzási energia az egyenlítőhöz közelebb nagyobb, mint a sarkok felé. Ezt a 15. ábra jól mutatja. Viszonylag kedvezőtlen földrajzi elhelyezkedése ellenére a világ egyik leginkább fejlődő napelem piaca Németország, melynek még a legdélebbi területeire érkező sugárzási energia sincs annyi, mint hazánk legrosszabb mutatóval rendelkező vidékein. Így a hazai felhasználásnak mindenképpen van reális lehetősége [2].
15. ábra Európa területén mért éves napsugárzási teljesítmény
A
napelemes
rendszereket
a
felhasználás
szempontjából
is
érdemes
különválasztani szigetüzemű és a hálózatra kapcsolt rendszerekre. A hálózatra kapcsolt rendszer komoly előnye, hogy elhanyagolható veszteséggel, töltéstárolók költségei nélkül telepíthető, de kizárólag olyan helyen, ahol hálózati áramellátás már rendelkezésre áll. Ezek a rendszerek aztán a hálózatra kapcsolt háztartási méretű kiserőműként (<50 kW) egy oda-vissza mérő villanyóra segítségével az elektromos hálózatra dolgoznak. Ahol erre nincsen mód, ott a megtermelt energiát tárolni kell, aminek plusz költségei és környezeti terhelése van. Azokban az esetekben viszont, amikor nem lehet a hálózatra kapcsolódni, sokszor ez az egyetlen
lehetőség
áramhoz
jutni.
A 27
napelemes
rendszerek
széleskörű
felhasználására néhány példa: villamos hálózattól távol eső lakóházak, hétvégi házak,
üdülők,
turistaházak,
tanyák,
gazdasági
épületek,
létesítmények
áramellátása, vízszivattyúzás energiaellátása, biztonsági, illetve vagyonvédelmi rendszerek
áramellátása,
közvilágítás
biztosítása,
közúti
jelzőrendszerek
áramellátása. Az 1. táblázatban jól látható, hogy melyik tagállam milyen részarányt termel megújuló energiából [2]. 1.Táblázat Egyes tagállamok megújuló energiatermelés részaránya
28
Habár
a
napenergia
felhasználása
egyelőre
még
világméretekben
nem
meghatározó, ennek ellenére ez a szektor mutatja a legdinamikusabb növekedést. Jól érzékelteti ezt az a két adat, hogy a 2004 és 2009 közötti öt éves időszakban a hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek kapacitásának éves növekedési üteme 60 %, az erőműi méretekben folyatott napelemes energiatermelés éves növekedése pedig 100 % felett volt! (Ugyanez az adat szélenergia esetében 27 %, bioetanolnál pedig 20 %). Ezen értékek összevetése jól mutatja azt, hogy a napenergia kihasználása dinamikus növekedést mutat és a folyamatnak még csak a kezdetén tartunk [2].
29
6. A NAPELEMEK IGAZI ELŐNYE 1. Tetszőleges méretű rendszereket lehet kialakítani Szemben a szél és vízerőművekkel a napelemes rendszerek az egészen kis energiaigényű berendezések áramellátásától az erőműi méretekig tetszőlegesen méretezhetőek.
2. Forgó alkatrész nélkül működnek A mozgó és forgó alkatrészeket tartalmazó berendezések meghibásodási lehetősége radikálisan nagyobb, mint az azokat nélkülözőké. Ez kritikus szempont egy olyan rendszer esetében, melynek működését több mint 20-30 évre tervezik.
3. Karbantartást szinte nem igényelnek Eltekintve az évenkénti néhányszori tisztítástól, melyet sok esetben a csapadék is megfelelően biztosít, a napelemek gyakorlatilag nem igényelnek karbantartást. 4. Hangtalanul működnek Szemben a víz és szélerőművekkel a napelemek mechanikai áttétel nélkül, direkt módon alakítják a fényt elektromos árammá, ami a teljesen hangtalan működést teszi lehetővé. 5. Építészetileg könnyen integrálható rendszerek Tekintve, hogy a napelemek alapjaiban véve nem robosztus szerkezetek, könnyen szerelhetők tetőre, de új épületek tervezésénél modern és dekoratív megjelenésük révén az épület integráns részét képezhetik.
30
7. A VIZSGÁLÓ BERENDEZÉS BEMUTATÁSA
A mérőállomás sematikus ábrája a 16. ábrán látható. A napelem által begyűjtött energia egy akkumulátorban tárolódott el, amit egy állítható ellenállásra kötött izzó tudott elfogyasztani. A töltésszabályzó szabályozta az izzó működési idejét, hogy az akkumulátor feszültsége megfelelő értékek között maradjon.
16. ábra A vizsgáló berendezés sematikus ábrája
A lementett adatokból össze tudom hasonlítani a két napelem hatásfokát, illetve meg tudom határozni a mérési időtartam alatt a Nap által besugárzott energiát. 1. DAQ kártya (17. ábra) Nagyon sok időmben került, mire meg tudtam oldani a fényintenzitás mérésének automatizálását. Elsőnek egy elavult ISA foglalatú mérőkártyával próbálkoztam, de egyfolytában csak problémákba ütköztem. Windows 95-ös, illetve 98-as operációs rendszerrel volt kompatibilis, amely további nehézségek okozott, mert olyan LABVIEW verzióra lett volna szükségem, amely elfut ezeken 31
az operációs rendszereken. A nyár végére sikerült elkérnem egy NI 9216-os mérőkártyát az Anyagmozgatási és Logisztikai Tanszéktől, amely már USB-vel kommunikált a számítógéppel. Ez sokban megkönnyítette a helyzetem, mert így elég volt egy számítógép a mérés kivitelezéséhez, illetve használhattam a 2013as LABVIEW-t. Amint sikerült rá megírni a programot, el is kezdtem a mérést otthon.
17. ábra DAQ kártya
2. Számítógép (18. ábra) Saját számítógépemet használtam a méréshez. A mérőkártyához telepítettem a LABVIEW-t, a PLC-hez pedig a PLCOM Software–t. IBM kompatibilis számítógépre volt szükség [5]. Később rájöttem, hogy ez nem azt jelenti, hogy csak IBM márkájú számítógépekkel kommunikál a PLC, hanem egy konkrét cég, konkrét termékeivel való gyakorlati kompatibilitásáról van szó. Ide tartoznak a PC/XT, AT, ATX és PS/2 rövidítések is. Tehát csak a megfelelő mikroprocesszor és BIOSZ volt a feltétel. Így az én számítógépem is megfelelt a PLC-nek. A
32
leírásban azt írták, hogy Windows 95-ön 98-on, NT-én és XP-én fut el, de a WIN7 is teljesen megfelelően működött a mérőkártyával egyetemben.
18. ábra Számítógép
Számítógép típusszáma: ASUS F3K Processzor: TURION TL60 INTEL CORE DUO 2.20GHZ A számítógépet és a mérőkártyát a napelemhez közeli épületben helyeztem el (19. ábra). Itt védve voltak az időjárás körülményeitől és biztonságban tudhattam őket.
33
19. ábra Számítógép a mérőhelyen
3. PLI csatlakozó (20. ábra) A töltésszabályzó csatlakozó kimenetele RS232-es így egy átalakító kábel segítségével USB-én keresztül csatlakoztam a számítógéphez.
34
20. ábra PLI csatlakozó
Mivel ezt nem tudtam az épületen belül elhelyezni, ezért több rétegben szigeteltem, hogy nehogy beázzon vagy zárlatos legyen (21. ábra).
21. ábra PLI csatlakozó több rétegben leszigetelve
35
4. PLC vezérlő - töltésszabályzó (22. ábra) Phocos PL20-as típusú napelemes töltés vezérlő. Kifejezetten energiatermelő rendszerekhez kifejlesztve. A PL szériás vezérlők teljes vezérlést (irányítást) kínálnak a töltési ciklus felett valamint információt adnak a korábbi és jelenlegi teljesítményről. A PL szabályzók beépített "merülő akkumulátor" megszakítóval (kapcsolóval) rendelkeznek. Így gátolják meg az akkumulátor teljes lemerülését és ez által a későbbiek folyamán a tönkremenetelét. Emellett a sokoldalú vezérlőegység ki- és bekapcsolhatja az energiát a felhasználó parancsaitól (feltételeitől) függően. Ez lehetővé teszi a PL-nek, hogy plusz feladatokat lásson el, mint például éjszakai világítást kapcsoljon, vagy teljes töltöttséget biztosítson egy víztartálynak egy szivattyú segítségével, amikor szükséges. Továbbá képes tartalék generátor vezérlésére és egy második akkumulátor töltésére.
22. ábra Töltésszabályzó
A kijelző megjeleníti az akku feszültségét, töltőáramát, amperórában a terhelés be- és kiáramlását az akkumulátorból valamint a töltöttségi állapotot. A tárolt információk 30 napig rendelkezésre állnak, így ha a felhasználó el is felejtené, mi történt, a szabályzó "emlékezni fog". Párhuzamosan 3 egység működtethető. A megfelelő PLI kezelőfelülettel a felhasználó (modem segítségével) számítógéppel is hozzáférhet a szabályzóegységhez. Az adatok olvashatóak a beállítások módosíthatóak [6]. 36
5. Izzó (23. ábra) Az izzó segítségével merítette le a töltésszabályzó az akkumulátort, ha szükség volt rá. Az itthoniak tapasztalata szerint legtöbbet a késő délutáni órákban, illetve estefele világított (24. ábra). Ezt az állítást a lentebb található 6. illetve 7. táblázattal bizonyítani is tudom, ha megnézzük az Imerítés oszlopban a nem nulla értékekhez tartozó időket.
23. ábra Izzó
24. ábra Az izzó éppen meríti az akkumulátort
37
6. Állatható ellenállás (25. ábra) Ennek segítségével lehetett szabályozni, hogy milyen intenzitással merítse le az izzó az akkumulátort.
25. ábra Állítható ellenállás
7. Akkumulátor (26. ábra)
26. ábra Akkumulátor
38
8. Napelem Első mérésemet a DUNASOLAR DS40 amorf szilícium PV modullal végeztem el, amely a 27. ábrán található.
27. ábra Amorf szilícium napelem
Az amorf szilícium modul mintegy 8-15 %-kal több energiát szolgáltat:
ha alacsony a megvilágítás mértéke,
felhős az ég,
vagy a szórt fény a domináns.
Jellemző műszaki paramétereit a 2. táblázat és a 3. táblázat mutatja be. 2. táblázat Amorf szilícium jellemző paraméterei Max. súly
Felület
13,5 kg
Méretek 635 mm 1245 mm
0,75
3. táblázat Amorf szilícium jellemző paraméterei Névleges tejlesítmény
Max.telj. esetén:
Max.telj. esetén:
feszültség
áramerősség
40/45.8
44/44,9
0,9/1,02
39
Üresjárási feszültség
Rövidzárási áram
62/61,3
1,15/1,25
Azért van két adat megadva a 3. táblázatban, mert a gyártó különböző példányszám után ellenőriz, és valószínűleg más műszakban készült napelemek ellenőrzésének
eredményei
fényintenzitást 1000
ilyen
tartományban
ingadozik.
Ha
az
átlag
- nek vesszük, akkor a napelem felületére érkező
fényteljesítmény 750 W, mertl 0,75 m2 a napelem felülete. Ebben az esetben a hatásfokot a következő képen kell meghatározni: (3) ezt mind a két értéknél ki kell számolni, és átlagolni azokat (4) (5) a két érték számtani közepe: (6) Tehát ennek a napelemnek a hatásfoka 5,7 % újonnan. Mivel kicsi a hatásfoka ezért jóval nagyobb felületet igényel az elhelyezése.
40
A 28. ábrán található egy KORAX SOLAR KS-80/12-es típusú monokristályos napelem panel, amellyel a második mérésemet végeztem. Ezt az Elektrotechnikai - Elektronikai Intézeti Tanszéktől kértem el. A monokristályos napelem a közvetlen napfényt hasznosítja jobban, de a szórt napfényt már kevésbé.
28. ábra Monokrisályos napelem
Jellemző műszaki paramétereit a 4. táblázat és az 5. táblázat mutatja be. 4. táblázat Monokrisályos napelem jellemző paraméterei Max. súly
Felület
Méretek
9 kg
0,632625 m
2
1224mm 545mm
5. táblázat Monokrisályos napelem jellemző paraméterei Névleges tejlesítmény
Max.telj. esetén:
Max.telj. esetén:
feszültség
75
17,3
áramerősség
Üresjárási feszültség
Rövidzárási áram
4,34
21,6
4,6
Ebben az esetben, ha szintén 1000
átlagos fényintenzitással számolunk, akkor
napelem felületére érkező fényteljesítmény 632,625 W. A hatásfokot hasonló képen kell kiszámolni, mint az előző esetben. (7) (8) Tehát a monokristályos napelem hatásfoka 11,85 %
41
9. Fényintenzitás mérő (29. ábra)
29. ábra Fényintenzitás mérő
Komplex feladatomnál multiméterrel mértem a fényintenzitást ugyan ezzel a készülékkel. A multimétert mV-ra állítottam, és ahány mV-ot mutatott, akkora volt abban a pillanatban a fény intenzitása, tehát az egy m2-re jutó energia [
].
A mérésemhez ezt egy mérőkártyával automatizáltam, amely ugyan ezt az értéket mérte, csak a LABVIEW segítségével óránként mentette. A mérőkészüléket a napelem mellé helyeztem, hogy biztos azt a fényintenzitást detektálja, amit a napelem is kap (30. ábra)
42
30. ábra A fényintenzitás mérő elhelyezése
43
8. MÉRÉSI EREDMÉNYEK 8.1 Amorf szilícium napelem Első mérésemet amorf szilícium napelemmel végeztem 2014.09.07 2014.09.28-a között. 2 db panel volt párhuzamosan kötve (31. ábra). Eredeti tervem szerint hamarabb - még nyáron - szerettem volna elkezdeni, de sok váratlan problémákkal jár egy ilyen mérőállomás felépítése, amelyek megoldása miatt csak szeptemberben tudtam elindítani.
31. ábra Amorf szilícium napelem tájolása a kertünkben
44
Az első mérésem adatait a 6. táblázat foglalja magába. Itt csak azok az értékek vannak, amikor töltés volt a napelemen, mert ezekkel az adatokkal számoltam ki a napelem hatásfokát. A többi adatot – amikor a napelem nem töltötte az akkumulátort - feleslegesnek véltem megmutatni, túl hosszú lenne. A Nap által besugárzott energia kiszámításánál természetesen használtam őket, illetve grafikon formában ábrázoltam is ezeket az adatokat. A fejlécben található rövidítések a következők:
Uaku
Akkumulátor feszültség [V]
Itöltés
Napelem töltési árama [A]
Imerítés
Akkumulátor merítési árama [A]
Efény
A Napból érkező fényintenzitás [
Enapelem A napelem felületére érkező fényteljesítmény [W] (Efény
Pnapelem Napelem teljesítmény [W] (Uaku Itöltés)
Az adott időpontban a hatásfok [%] 6. táblázat 1. mérésem adatai 2014.09.07 - 2014.09.28-a között
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.07
16:00
11,5
0,3
1,9
212,04
318,06
3,45
1,08
09.07
17:00
11,3
0,1
1,9
87,84
131,76
1,13
0,86
09.08
8:00
12
0,2
0
167,46
251,19
2,4
0,96
09.08
9:00
12,1
0,4
0
135,61
203,415
4,84
2,38
09.08
10:00
12,2
0,5
0
348,99
523,485
6,1
1,17
09.08
11:00
12,6
1,4
0
715,22
1072,83
17,64
1,64
09.08
12:00
12,5
1,3
0
836,24
1254,36
16,25
1,30
09.08
13:00
11,9
1,2
2
622,87
934,305
14,28
1,53
09.08
14:00
11,8
1,1
1,9
619,68
929,52
12,98
1,40
09.08
15:00
11,7
1,1
1,9
702,49
1053,735
12,87
1,22
45
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.08
16:00
11,3
0,3
1,9
113,32
169,98
3,39
1,99
09.08
17:00
11,2
0,1
1,9
84,66
126,99
1,12
0,88
09.09
8:00
12
0,3
0
218,41
327,615
3,6
1,10
09.09
9:00
12,2
0,6
0
91,03
136,545
7,32
5,36
09.09
10:00
12,2
0,5
0
428,6
642,9
6,1
0,95
09.09
11:00
12,5
1,6
0
715,22
1072,83
20
1,86
09.09
12:00
12,5
1,3
0
848,98
1273,47
16,25
1,28
09.09
13:00
12,7
1,8
0
906,31
1359,465
22,86
1,68
09.09
14:00
12,7
1,5
0
845,8
1268,7
19,05
1,50
09.09
15:00
12,7
1,1
0
762,99
1144,485
13,97
1,22
09.09
16:00
12,4
0,4
0
320,32
480,48
4,96
1,03
09.09
17:00
12,3
0,1
0
78,29
117,435
1,23
1,05
09.10
10:00
12,2
0,1
0
65,55
98,325
1,22
1,24
09.10
11:00
12,3
0,1
0
78,29
117,435
1,23
1,05
09.10
12:00
12,4
0,2
0
161,09
241,635
2,48
1,03
09.10
13:00
12,3
0,1
0
59,18
88,77
1,23
1,39
09.10
14:00
12,4
0,2
0
180,2
270,3
2,48
0,92
09.10
15:00
12,4
0,2
0
151,54
227,31
2,48
1,09
09.10
16:00
12,3
0,1
0
84,66
126,99
1,23
0,97
09.11
9:00
12,3
0,1
0
75,1
112,65
1,23
1,09
09.11
10:00
12,4
0,2
0
116,5
174,75
2,48
1,42
46
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.11
11:00
12,6
0,5
0
285,29
427,935
6,3
1,47
09.11
12:00
12,6
0,5
0
294,85
442,275
6,3
1,42
09.11
13:00
12,5
0,3
0
202,49
303,735
3,75
1,23
09.11
14:00
12,6
0,4
0
266,18
399,27
5,04
1,26
09.11
15:00
11,9
0,4
1,9
227,97
341,955
4,76
1,39
09.11
16:00
11,8
0,4
1,9
345,8
518,7
4,72
0,91
09.11
17:00
11,7
0,1
1,9
75,1
112,65
1,17
1,04
09.12
8:00
11,9
0,1
0
52,81
79,215
1,19
1,50
09.12
10:00
12,1
0,3
0
199,31
298,965
3,63
1,21
09.12
11:00
12,3
0,4
0
196,12
294,18
4,92
1,67
09.12
12:00
12,4
1,1
0
868,09
1302,135
13,64
1,05
09.12
13:00
12,6
1,1
0
594,21
891,315
13,86
1,56
09.12
14:00
12,3
0,4
0
212,04
318,06
4,92
1,55
09.13
10:00
12,1
0,1
0
40,07
60,105
1,21
2,01
09.13
11:00
12,2
0,1
0
100,58
150,87
1,22
0,81
09.13
12:00
12,3
0,2
0
116,5
174,75
2,46
1,41
09.13
13:00
12,2
0,1
0
62,36
93,54
1,22
1,30
09.14
9:00
12,1
0,1
0
65,55
98,325
1,21
1,23
09.14
10:00
12,2
0,1
0
56
84
1,22
1,45
09.14
11:00
12,3
0,1
0
78,29
117,435
1,23
1,05
09.14
12:00
12,3
0,2
0
110,14
165,21
2,46
1,49
47
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.14
13:00
12,3
0,1
0
87,84
131,76
1,23
0,93
09.14
14:00
12,4
0,2
0
122,87
184,305
2,48
1,35
09.14
15:00
12,3
0,1
0
75,1
112,65
1,23
1,09
09.14
16:00
12,3
0,1
0
52,81
79,215
1,23
1,55
09.15
8:00
12,3
0,1
0
94,21
141,315
1,23
0,87
09.15
9:00
12,5
0,4
0
272,55
408,825
5
1,22
09.15
10:00
12,6
0,6
0
218,41
327,615
7,56
2,31
09.15
11:00
13
1,2
0
568,73
853,095
15,6
1,83
09.15
12:00
12,5
0,6
0
422,23
633,345
7,5
1,18
09.15
13:00
12,7
1,1
0
591,02
886,53
13,97
1,58
09.15
14:00
12,5
0,4
0
263
394,5
5
1,27
09.15
15:00
12,5
0,3
0
170,64
255,96
3,75
1,47
09.15
17:00
12,4
0,1
0
46,44
69,66
1,24
1,78
09.16
8:00
11,7
0,1
4,2
84,66
126,99
1,17
0,92
09.16
9:00
11,4
0,3
4,1
218,41
327,615
3,42
1,04
09.16
10:00
12,1
0,4
0
215,23
322,845
4,84
1,50
09.16
11:00
12,4
1,4
0
721,59
1082,385
17,36
1,60
09.16
12:00
12,4
0,9
0
778,92
1168,38
11,16
0,96
09.16
13:00
12,4
0,3
0
186,57
279,855
3,72
1,33
09.16
14:00
12,4
0,9
0
463,63
695,445
11,16
1,60
09.16
15:00
12,4
0,3
0
170,64
255,96
3,72
1,45
48
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.16
16:00
12,4
0,3
0
177,01
265,515
3,72
1,40
09.16
17:00
12,4
0,1
0
81,47
122,205
1,24
1,01
09.17
10:00
12,3
0,1
0
71,92
107,88
1,23
1,14
09.17
11:00
12,4
0,1
0
100,58
150,87
1,24
0,82
09.17
12:00
12,5
0,2
0
141,98
212,97
2,5
1,17
09.17
13:00
12,7
0,8
0
384,02
576,03
10,16
1,76
09.17
14:00
11,8
1,4
4,2
766,18
1149,27
16,52
1,44
09.17
15:00
11,6
1,1
4,2
724,78
1087,17
12,76
1,17
09.17
16:00
11,5
0,5
4,1
157,91
236,865
5,75
2,43
09.17
17:00
11,3
0,1
4,1
135,61
203,415
1,13
0,56
09.18
8:00
11,9
0,1
0
87,84
131,76
1,19
0,90
09.18
9:00
12
0,2
0
126,06
189,09
2,4
1,27
09.18
10:00
12,2
0,5
0
164,27
246,405
6,1
2,48
09.18
11:00
12,4
1,3
0
724,78
1087,17
16,12
1,48
09.18
12:00
12,2
0,6
0
686,56
1029,84
7,32
0,71
09.18
13:00
12,4
1,3
0
654,72
982,08
16,12
1,64
09.18
14:00
12,2
0,2
0
110,14
165,21
2,44
1,48
09.18
15:00
12,2
0,2
0
110,14
165,21
2,44
1,48
09.18
16:00
12,2
0,1
0
43,26
64,89
1,22
1,88
09.18
17:00
12,2
0,1
0
78,29
117,435
1,22
1,04
09.19
8:00
12,3
0,3
0
110,14
165,21
3,69
2,23
49
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.19
9:00
12,4
0,3
0
119,69
179,535
3,72
2,07
09.19
10:00
12,4
0,5
0
215,23
322,845
6,2
1,92
09.19
11:00
12,6
1,4
0
715,22
1072,83
17,64
1,64
09.19
12:00
12,4
0,6
0
689,75
1034,625
7,44
0,72
09.19
13:00
12,8
2
0
1027,32
1540,98
25,6
1,66
09.19
14:00
12,5
0,5
0
291,66
437,49
6,25
1,43
09.19
15:00
12,7
1,3
0
798,03
1197,045
16,51
1,38
09.19
16:00
12,4
0,1
0
65,55
98,325
1,24
1,26
09.19
17:00
12,4
0,1
0
91,03
136,545
1,24
0,91
09.20
8:00
12,3
0,1
0
33,7
50,55
1,23
2,43
09.20
9:00
12,5
0,2
0
145,17
217,755
2,5
1,15
09.20
10:00
12,5
0,2
0
113,32
169,98
2,5
1,47
09.20
11:00
12,5
0,2
0
126,06
189,09
2,5
1,32
09.20
12:00
12,5
0,2
0
132,43
198,645
2,5
1,26
09.20
13:00
12,6
0,3
0
234,34
351,51
3,78
1,08
09.20
14:00
12,7
0,6
0
313,95
470,925
7,62
1,62
09.20
15:00
12,5
0,1
0
94,21
141,315
1,25
0,88
09.20
16:00
12,4
0,1
0
59,18
88,77
1,24
1,40
09.20
17:00
12,5
0,1
0
91,03
136,545
1,25
0,92
09.21
8:00
12,4
0,1
0
62,36
93,54
1,24
1,33
09.21
9:00
12,5
0,1
0
84,66
126,99
1,25
0,98
50
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.21
10:00
12,6
0,1
0
119,69
179,535
1,26
0,70
09.21
11:00
12,9
1,3
0
412,68
619,02
16,77
2,71
09.21
12:00
12,8
0,8
0
597,39
896,085
10,24
1,14
09.21
13:00
12,6
0,2
0
103,77
155,655
2,52
1,62
09.21
14:00
12,5
0,1
0
68,73
103,095
1,25
1,21
09.21
15:00
11,9
0,5
4,2
282,11
423,165
5,95
1,41
09.21
16:00
11,9
0,5
2,3
161,09
241,635
5,95
2,46
09.22
8:00
11,8
0,1
0
59,18
88,77
1,18
1,33
09.22
9:00
11,9
0,3
0
138,8
208,2
3,57
1,71
09.22
10:00
12
0,5
0
231,15
346,725
6
1,73
09.22
11:00
12
0,4
0
183,38
275,07
4,8
1,75
09.22
12:00
12
0,2
0
126,06
189,09
2,4
1,27
09.22
15:00
11,9
0,1
0
11,41
17,115
1,19
6,95
09.23
9:00
12
0,1
0
94,21
141,315
1,2
0,85
09.23
10:00
12,1
0,5
0
243,89
365,835
6,05
1,65
09.23
11:00
12,1
0,2
0
138,8
208,2
2,42
1,16
09.23
12:00
12,2
0,4
0
237,52
356,28
4,88
1,37
09.23
13:00
12,4
1,8
0
941,34
1412,01
22,32
1,58
09.23
14:00
12,5
1,7
0
727,96
1091,94
21,25
1,95
09.23
15:00
12,4
1,4
0
479,56
719,34
17,36
2,41
09.23
16:00
12,2
0,1
0
119,69
179,535
1,22
0,68
51
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.24
8:00
12,2
0,1
0
97,4
146,1
1,22
0,84
09.24
9:00
12,3
0,3
0
87,84
131,76
3,69
2,80
09.24
10:00
12,4
0,4
0
122,87
184,305
4,96
2,69
09.24
11:00
12,7
1,6
0
575,1
862,65
20,32
2,36
09.24
12:00
12,4
0,7
0
463,63
695,445
8,68
1,25
09.24
13:00
12,4
0,4
0
227,97
341,955
4,96
1,45
09.24
14:00
12,7
1,7
0
979,55
1469,325
21,59
1,47
09.24
15:00
12,6
1,2
0
756,63
1134,945
15,12
1,33
09.24
16:00
12,5
0,5
0
463,63
695,445
6,25
0,90
09.24
17:00
12,3
0,1
0
81,47
122,205
1,23
1,01
09.25
8:00
12,4
0,2
0
59,18
88,77
2,48
2,79
09.25
9:00
12,5
0,3
0
148,35
222,525
3,75
1,69
09.25
10:00
12,6
0,3
0
180,2
270,3
3,78
1,40
09.25
11:00
12,7
0,5
0
259,82
389,73
6,35
1,63
09.25
12:00
12,7
0,7
0
782,1
1173,15
8,89
0,76
09.25
13:00
12,2
1,6
2,3
839,43
1259,145
19,52
1,55
09.25
14:00
11,9
0,5
2,2
272,55
408,825
5,95
1,46
09.25
15:00
11,9
0,3
2,2
192,94
289,41
3,57
1,23
09.25
16:00
11,8
0,1
2,2
116,5
174,75
1,18
0,68
09.26
9:00
11,8
0,1
0
84,66
126,99
1,18
0,93
09.26
10:00
12
0,4
0
164,27
246,405
4,8
1,95
52
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.26
11:00
12,2
1,1
0
766,18
1149,27
13,42
1,17
09.26
12:00
12
0,1
0
52,81
79,215
1,2
1,51
09.26
13:00
12
0,2
0
132,43
198,645
2,4
1,21
09.26
14:00
12,1
0,4
0
202,49
303,735
4,84
1,59
09.26
15:00
12
0,1
0
87,84
131,76
1,2
0,91
09.26
16:00
12
0,1
0
40,07
60,105
1,2
2,00
09.27
8:00
12,1
0,3
0
56
84
3,63
4,32
09.27
9:00
12,2
0,2
0
126,06
189,09
2,44
1,29
09.27
10:00
12,2
0,3
0
237,52
356,28
3,66
1,03
09.27
11:00
12,4
1
0
540,07
810,105
12,4
1,53
09.27
12:00
12,2
0,4
0
880,83
1321,245
4,88
0,37
09.27
13:00
12,6
1,9
0
976,37
1464,555
23,94
1,63
09.27
14:00
12,6
1,6
0
903,12
1354,68
20,16
1,49
09.27
15:00
12,4
0,3
0
212,04
318,06
3,72
1,17
09.27
16:00
12,3
0,1
0
49,63
74,445
1,23
1,65
09.28
8:00
12,4
0,3
0
65,55
98,325
3,72
3,78
09.28
9:00
12,4
0,2
0
97,4
146,1
2,48
1,70
09.28
10:00
12,4
0,3
0
313,95
470,925
3,72
0,79
09.28
11:00
12,7
1
0
492,3
738,45
12,7
1,72
09.28
12:00
12,4
0,4
0
906,31
1359,465
4,96
0,36
09.28
13:00
12,1
1,9
2,2
934,97
1402,455
22,99
1,64
53
Dátum
Idő
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
09.28
14:00
12
1,6
2,2
899,94
1349,91
19,2
1,42
09.28
15:00
11,9
1,1
2,2
444,53
666,795
13,09
1,96
09.28
16:00
11,8
0,6
2,2
568,73
853,095
7,08
0,83
Hatásfok átlag: 1,47%
A napelem hatásfokát a következőkképpen számoltam ki:
Vettem az egy mérési időpontra tartozó akkumulátor feszültség értékét és napelem töltési áramát, majd összeszoroztam, (9)
ugyanerre az időpontra tartozó fényintenzitást megszoroztam a napelem felületével, ami jelen esetünkben 0,75m 2
= 1,5m2 (mivel 2
panel volt párhuzamosan kötve), (10)
a
napelem
teljesítményét
elosztottam
a
napelemre
jutó
fényintenzitással és szoroztam 100-zal, (11) ezt Excelben minden egyes órára megcsináltam, majd a kiszámított hatásfokokat átlagoltam. Így 1,47 % jött ki ennek a napelemnek a hatásfokára, Ez már egy régi napelem, tehát a kiszámított hatásfok elfogadható. Újonnan 5,7 % volt. Eleve egy nem nagy hatásfokú napelemről van szó, illetve az amorf-szilícium technológia sajátossága hogy gyártás után az öregedés miatt a teljesítmény csökken [7].
54
8.2 Monokristályos napelem 2. mérésemet egy monokristályos napelemmel végeztem 2014.09.28 - 2014.10.19 között. A mérési berendezésen semmit nem változtattam, csak a napelemet cseréltem ki. Az egyszerűség kedvéért – és mert nem akartam megfúrni a tartószerkezetet – damillal rögzítettem a panelt (32. ábra).
32. ábra Monokrisályos napelem panel rögzítése
A 7. táblázat ennek a napelemnek a mérési eredményeit prezentálja. Itt sem vettem bele azokat az adatokat, amikor a napelem nem töltött. A fejlécben található rövidítések megegyeznek a 6. táblázat rövidítéseivel.
Uaku
Akkumulátor feszültség [V]
Itöltés
Napelem töltési árama [A]
Imerítés
Akkumulátor merítési árama [A]
Efény
A Napból érkező fényintenzitás [
Enapelem A napelem felületére érkező fényteljesítmény [W] (Efény
PnapelemNapelem teljesítmény [W] (Uaku Itöltés)
az adott időpontban a hatásfok [%] 55
7. táblázat 2. mérésem adatai 2014.09.28. - 2014.10.19-e között
Dátum Idő 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.29 09.30 09.30 09.30 09.30 09.30 09.30 09.30 09.30 09.30 09.30 10.01 10.01 10.01 10.01 10.01 10.01 10.01 10.01 10.01 10.02 10.02 10.02 10.02 10.02 10.02 10.02 10.02 10.02 10.02 10.03 10.03 10.03
7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
11,8 12,1 12,1 12,1 12,4 12,2 12,6 12,3 12 11,8 11,6 12,1 12 12,1 12,4 12,1 12,4 12,2 11,9 11,7 11,5 11,9 12,1 12,2 12,4 12,3 12,4 12,3 12,4 12,2 12,1 12,4 12,4 12,4 12,5 12,6 12,5 12,5 12,4 12,4 12,2 12,4 12,6
0,1 0,5 0,3 0,4 1,7 0,9 2,8 2,7 1,5 0,8 0,1 0,5 0,3 0,4 1,6 0,4 4,1 2,7 1,2 0,8 0,1 0,3 0,6 1 1,8 0,9 1,1 0,7 0,6 0,2 0,1 0,4 0,3 0,2 0,7 0,8 0,5 0,6 0,3 0,1 0,1 0,1 0,4
0 0 0 0 0 0 0 2,2 2,2 2,2 2,1 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,2 2,2 2,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
46,44 205,68 94,21 326,69 196,12 954,08 677,01 871,27 686,56 473,19 59,18 218,41 65,55 148,35 368,09 591,02 985,92 899,94 696,12 489,11 43,26 68,73 154,72 291,66 460,45 212,04 256,63 205,68 161,09 68,73 71,92 97,4 84,66 78,29 202,49 234,34 145,17 148,35 97,4 65,55 24,15 68,73 119,69
29,38 130,12 59,60 206,67 124,07 603,57 428,29 551,19 434,34 299,35 37,44 138,17 41,47 93,85 232,86 373,89 623,72 569,32 440,38 309,42 27,37 43,48 97,88 184,51 291,29 134,14 162,35 130,12 101,91 43,48 45,50 61,62 53,56 49,53 128,10 148,25 91,84 93,85 61,62 41,47 15,28 43,48 75,72
1,18 6,05 3,63 4,84 21,08 10,98 35,28 33,21 18 9,44 1,16 6,05 3,6 4,84 19,84 4,84 50,84 32,94 14,28 9,36 1,15 3,57 7,26 12,2 22,32 11,07 13,64 8,61 7,44 2,44 1,21 4,96 3,72 2,48 8,75 10,08 6,25 7,5 3,72 1,24 1,22 1,24 5,04
56
4,02 4,65 6,09 2,34 16,99 1,82 8,24 6,03 4,14 3,15 3,10 4,38 8,68 5,16 8,52 1,29 8,15 5,79 3,24 3,02 4,20 8,21 7,42 6,61 7,66 8,25 8,40 6,62 7,30 5,61 2,66 8,05 6,95 5,01 6,83 6,80 6,81 7,99 6,04 2,99 7,99 2,85 6,66
Dátum Idő 10.03 10.03 10.03 10.03 10.03 10.03 10.04 10.04 10.04 10.04 10.04 10.04 10.04 10.04 10.04 10.04 10.05 10.05 10.05 10.05 10.05 10.05 10.05 10.05 10.05 10.06 10.06 10.06 10.06 10.06 10.06 10.06 10.06 10.06 10.06 10.07 10.07 10.07 10.07 10.07 10.07 10.07 10.07 10.07
11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
12,6 12,5 12,6 12,5 12,5 12,4 12,3 12,4 12,6 12,5 12,6 12,6 12,8 12,6 12,4 12,5 12 12,1 12,1 12,2 12,4 12,3 12,2 12,3 12,2 12,3 12,4 12,4 12,6 12,5 13,5 12,3 12,1 11,9 11,6 12 12,1 12,3 12,4 12,5 12,7 12,4 12,8 12,4
0,4 0,2 0,4 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,3 0,6 0,1 0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,6 0,6 0,2 0,5 0,2 0,3 0,4 0,6 0,9 0,6 3,5 1,8 1,5 0,3 0,1 0,1 0,2 0,4 0,4 0,5 0,3 0,1 0,4 0,3
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,2 2,3 2,2 2,2 0 0 0 0 0 0 0 0 0
91,03 59,18 135,61 68,73 36,89 56 40,07 20,96 84,66 52,81 81,47 87,84 135,61 49,63 8,23 52,81 59,18 87,84 116,5 141,98 396,76 202,49 97,4 129,24 59,18 87,84 116,5 138,8 167,46 482,74 852,17 460,45 438,16 78,29 59,18 46,44 59,18 103,77 100,58 141,98 75,1 87,84 119,69 65,55
57,59 37,44 85,79 43,48 23,34 35,43 25,35 13,26 53,56 33,41 51,54 55,57 85,79 31,40 5,21 33,41 37,44 55,57 73,70 89,82 251,00 128,10 61,62 81,76 37,44 55,57 73,70 87,81 105,94 305,39 539,10 291,29 277,19 49,53 37,44 29,38 37,44 65,65 63,63 89,82 47,51 55,57 75,72 41,47
5,04 2,5 5,04 2,5 1,25 1,24 1,23 1,24 2,52 1,25 2,52 3,78 7,68 1,26 1,24 1,25 2,4 3,63 4,84 6,1 19,84 7,38 2,44 6,15 2,44 3,69 4,96 7,44 11,34 7,5 47,25 22,14 18,15 3,57 1,16 1,2 2,42 4,92 4,96 6,25 3,81 1,24 5,12 3,72
57
8,75 6,68 5,87 5,75 5,36 3,50 4,85 9,35 4,71 3,74 4,89 6,80 8,95 4,01 23,82 3,74 6,41 6,53 6,57 6,79 7,90 5,76 3,96 7,52 6,52 6,64 6,73 8,47 10,70 2,46 8,76 7,60 6,55 7,21 3,10 4,08 6,46 7,49 7,80 6,96 8,02 2,23 6,76 8,97
Dátum Idő 10.07 10.08 10.08 10.08 10.08 10.08 10.08 10.08 10.08 10.08 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10 10.11 10.11 10.11 10.11 10.11 10.11 10.11 10.11 10.11 10.11 10.12 10.12 10.12 10.12
17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
12,2 12,6 12,7 12,7 12,6 12,8 12,3 11,9 11,4 11,4 12,3 12,2 12,2 12,2 12,4 13,1 12,5 12 11,8 11,6 12,1 12 12,1 12,1 12,2 12,7 12,3 11,8 11,7 11,4 12 12 12 12 12,2 12,7 12,3 11,8 11,7 11,4 12 12,1 12,1 12,1
0,1 0,7 0,7 0,6 0,5 1,1 2,5 0,9 0,4 0,3 0,8 0,2 0,3 0,3 0,6 3,3 3,3 1,1 0,8 0,1 0,5 0,2 0,3 0,4 0,7 3 3,1 1,4 0,9 0,1 0,4 0,2 0,3 0,4 0,6 3,5 3,1 1,4 0,8 0,1 0,4 0,4 0,5 0,5
0 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,1 2,1 0 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,2 2,2 0 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,2 2,2 0 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,2 2,1 0 0 0 0
20,96 141,98 151,54 167,46 122,87 320,32 594,21 221,6 122,87 91,03 202,49 78,29 68,73 103,77 145,17 896,75 782,1 610,13 304,4 52,81 215,23 65,55 106,95 434,97 250,26 884,01 750,26 571,91 358,54 40,07 180,2 100,58 84,66 269,37 247,08 836,24 731,15 562,36 310,77 30,52 215,23 103,77 132,43 323,51
13,26 89,82 95,87 105,94 77,73 202,64 375,91 140,19 77,73 57,59 128,10 49,53 43,48 65,65 91,84 567,31 494,78 385,98 192,57 33,41 136,16 41,47 67,66 275,17 158,32 559,25 474,63 361,80 226,82 25,35 114,00 63,63 53,56 170,41 156,31 529,03 462,54 355,76 196,60 19,31 136,16 65,65 83,78 204,66
1,22 8,82 8,89 7,62 6,3 14,08 30,75 10,71 4,56 3,42 9,84 2,44 3,66 3,66 7,44 43,23 41,25 13,2 9,44 1,16 6,05 2,4 3,63 4,84 8,54 38,1 38,13 16,52 10,53 1,14 4,8 2,4 3,6 4,8 7,32 44,45 38,13 16,52 9,36 1,14 4,8 4,84 6,05 6,05
58
9,20 9,82 9,27 7,19 8,10 6,95 8,18 7,64 5,87 5,94 7,68 4,93 8,42 5,58 8,10 7,62 8,34 3,42 4,90 3,47 4,44 5,79 5,37 1,76 5,39 6,81 8,03 4,57 4,64 4,50 4,21 3,77 6,72 2,82 4,68 8,40 8,24 4,64 4,76 5,90 3,53 7,37 7,22 2,96
Dátum Idő 10.12 10.12 10.12 10.12 10.12 10.12 10.13 10.13 10.13 10.13 10.13 10.13 10.13 10.13 10.13 10.13 10.14 10.14 10.14 10.14 10.14 10.14 10.14 10.14 10.14 10.14 10.15 10.15 10.15 10.15 10.15 10.15 10.15 10.16 10.16 10.16 10.16 10.16 10.16 10.16 10.16 10.17 10.17 10.17
12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 14:00 15:00 16:00 9:00 10:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
12,2 12,7 12,2 11,8 11,7 11,4 11,9 12 12,1 12,1 12,2 12,7 12,3 11,6 11,6 11,3 11,9 12 12 12 12,1 12,9 12,4 11,8 11,7 11,4 11,9 12,1 12,2 12,2 12,1 12,1 12,1 11,9 12,2 12,5 12,6 12,3 12,2 12,3 12,2 12,1 12,5 12,5
0,7 2,5 2,8 1,2 0,9 0,1 0,2 0,2 0,4 0,4 0,7 2,7 3 0,3 0,9 0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,4 3,7 3,3 1,5 1 0,1 0,2 0,4 0,6 0,6 0,4 0,2 0,1 0,1 0,2 1 1,1 0,4 0,1 0,3 0,1 0,1 0,7 0,6
0 0 2,3 2,2 2,2 2,1 0 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,2 2,1 0 0 0 0 0 0 2,3 2,2 2,2 2,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
205,68 791,66 702,49 511,4 304,4 40,07 114,91 194,53 149,15 247,0775 380,835 774,14 661,8775 361,725 177,81 28,9275 79,8825 156,3125 149,1475 204,0825 458,8575 868,885 707,2625 505,8325 217,62 16,98 70,325 157,9075 153,9225 94,2125 106,155 50,42 35,295 75,9 51,2175 203,2875 174,625 79,88 75,105 101,3775 20,1675 84,6575 182,59 109,34
130,12 500,82 444,41 323,52 192,57 25,35 72,69 123,06 94,36 156,31 240,93 489,74 418,72 228,84 112,49 18,30 50,54 98,89 94,35 129,11 290,28 549,68 447,43 320,00 137,67 10,74 44,49 99,90 97,38 59,60 67,16 31,90 22,33 48,02 32,40 128,60 110,47 50,53 47,51 64,13 12,76 53,56 115,51 69,17
8,54 31,75 34,16 14,16 10,53 1,14 2,38 2,4 4,84 4,84 8,54 34,29 36,9 3,48 10,44 1,13 1,19 2,4 3,6 4,8 4,84 47,73 40,92 17,7 11,7 1,14 2,38 4,84 7,32 7,32 4,84 2,42 1,21 1,19 2,44 12,5 13,86 4,92 1,22 3,69 1,22 1,21 8,75 7,5
59
6,56 6,34 7,69 4,38 5,47 4,50 3,27 1,95 5,13 3,10 3,54 7,00 8,81 1,52 9,28 6,17 2,35 2,43 3,82 3,72 1,67 8,68 9,15 5,53 8,50 10,61 5,35 4,85 7,52 12,28 7,21 7,59 5,42 2,48 7,53 9,72 12,55 9,74 2,57 5,75 9,56 2,26 7,58 10,84
Dátum Idő 10.17 10.17 10.17 10.17 10.17 10.17 10.17 10.18 10.18 10.18 10.18 10.18 10.18 10.18 10.18 10.18 10.18 10.19 10.19 10.19 10.19 10.19 10.19 10.19 10.19 10.19
11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Uaku
Itöltés
Imerítés
Efény
Enapelem
Pnapelem
12,4 12,4 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 12,2 12,5 12,5 12,5 12,7 13,7 12,7 13,2 12,9 12,5 12,5 12,8 13,3 13,1 13,3 13,3 13,9 13,8 13,4
0,4 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,4 0,4 0,3 0,9 2,5 1,1 2,3 1,3 0,1 0,1 0,4 1 0,9 1,1 1,2 2,7 2,3 1,2
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
92,62 79,085 42,4625 26,535 46,44 34,5 24,1475 71,1225 262,2025 127,65 224,785 157,905 528,9225 191,345 428,605 217,6175 35,2975 87,045 151,5375 181,7925 253,4475 357,745 472,3925 582,2625 513,795 371,28
58,59 50,03 26,86 16,79 29,38 21,83 15,28 44,99 165,88 80,75 142,20 99,89 334,61 121,05 271,15 137,67 22,33 55,07 95,87 115,01 160,34 226,32 298,85 368,35 325,04 234,88
4,96 2,48 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,22 5 5 3,75 11,43 34,25 13,97 30,36 16,77 1,25 1,25 5,12 13,3 11,79 14,63 15,96 37,53 31,74 16,08
8,47 4,96 4,58 7,33 4,19 5,64 8,05 2,71 3,01 6,19 2,64 11,44 10,24 11,54 11,20 12,18 5,60 2,27 5,34 11,56 7,35 6,46 5,34 10,19 9,76 6,85
Hatásfok átlag: 6,35 %
A napelem hatásfoka – a fentiekben leírt módszer kiszámításával – 6,35 % -ra jött ki. Újonnan
volt. Ez egy 5 éves napelem. Véleményem szerint megfelelő
körülmények között nem szabadna ennyit romlania egy monokristályos napelem hatásfokának 5 év alatt. Valószínűleg megsérült valahol, vagy nem az előírásoknak megfelelően volt tárolva.
A két napelemet közvetlenül összehasonlítani nehezen lehet ezzel a méréssel, hiszen ahhoz szimultán lett volna szükség mérni a két napelemmel. Azért, hogy mégis össze tudjam hasonlítani őket, kiválasztottam az első, illetve a második mérésemből két napot (2014.09.14 és 2014.10.03), amikor közel hasonló 60
volt a fényintenzitás. A 33. ábra jól mutatja, hogy közel azonosak a fényintenzitások az adott órában. Ennek a két napnak a teljesítményeit, illetve hatásfokait fogom ábrázolni a következő grafikonokon.
33. ábra
Amorf szilícium napelem által leadott fényintenzitás-, teljesítmény-, illetve hatásfok eloszlást a 34,35,36. ábra mutatja.
2014.09.14 - Vasárnap Fényintenzitás [W/m2)
140 120 100 80 60 40 20 0 6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Időpont [óra]
34. ábra A fényintenzitás eloszlása
61
3
Teljesítmény [W]
2,5 2 1,5 1 0,5 0 9
10
11
12
13
14
15
16
Időpont [óra]
Hatásfok [%]
35. ábra A teljesítmény eloszlása 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 9
10
11
12
13
14
15
16
Időpont [óra]
36. A hatásfok eloszlása
9 óra előtt és 16 óra után nem termelt energiát a napelem, így ott nincs hatásfok, illetve teljesítmény. A monokrisályos napelem által leadott fényintenzitás-, teljesítmény-, illetve hatásfok eloszlást a 37,38,39. ábra mutatja.
A két napelem teljesítményének és hatásfokának grafikonos összehasonlítása a 40., illetve a 41. ábrán található.
62
Fényintenzitás [W/m2]
2014.10.03 - Péntek 150 100 50 0 6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Időpont [óra]
37. ábra A fényintenzitás eloszlása 6
Teljesítmény [W]
5 4 3 2 1 0 8
9
10
11
12
13
14
15
16
Időpont [óra]
Hatásfok [%]
38. ábra A teljesítmény eloszlása 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 8
9
10
11
12
13
Időpont [óra]
39. ábra A hatásfok eloszlása
63
14
15
16
40. ábra Teljesítmény eloszlás összehasonlítása
A 40. ábrán látható, hogy nagyobb fényintenzitásnál a monokristályos napelem jobban hasznosítja az energiát, mint az amorf. Kisebb besugárzott energiánál – amelynek nagyobb része szórt fény – ez a különbség nem nagyon látszik. Ez szintén azt igazolja, hogy az amorf napelem több energiát termel, ha a szórt fény a domináns, vagy kicsi a megvilágítás mértéke.
41. ábra hatásfok eloszlás összehasonlítása
A hatásfokok között jelentős különbséget a 41. ábra nagyon szépen szemlélteti.
64
A következő 3 ábrán 3 nap fényintenzitásának eloszlását mutatom meg derült (42. ábra), félig felhős (43. ábra), illetve felhős esetben (44. ábra). 2 napot mérésem utolsó hetéről választottam, mert ott a konzulensem tanácsára átállítottam a fényintenzitás mentésének időintervallumát 1 óráról 15 percre. Így részletesebb leírást kaptam arról a hétről. Teljesen derült napot ebben az időszakban nem detektáltam. Ezért arról az óránként mentett adataimból kerestem ki egy napot. Az adott napon a besugárzott energiát a következő képpen számoltam ki:
Vettem két egymást követő fényintenzitás mértani közepét (8 órás adattal kezdtem és a 17 órásival fejeztem be), megszoroztam a közte eltelt idővel (3600 másodperc), az így kapott értékeket pedig összeadtam.
2014.09.30 - Kedd 1200 1000 800 600 400 200 0 8:00
9:00 42.
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
ábra Derült nap fényintenzitásának eloszlása
A grafikonról szépen lehet látni, hogy 9 órakkor egy kis felhő kúszott az égre, de hamar el is ment. A haranggörbe eloszlás szépen megfigyelető. Ezen a napon a besugárzott energia: 15. 951,348 kJ/m2
. Ez átszámítva 4,43 kWh/m2 nap.
65
2014.10.13 - Hétfő 900 800 700 600 500 400 300 200 100 18:00
17:30
17:00
16:30
16:00
15:30
15:00
14:30
14:00
13:30
13:00
12:30
12:00
11:30
11:00
10:30
10:00
9:30
9:00
8:30
8:00
7:30
7:00
6:30
6:00
0
43. ábra Félig derült nap fényintenzitásának eloszlása
A 43. ábrán látszik, hogy délelőtt felhős volt az ég, talán még esett is. De délutánra erőteljesen kisütött a Nap. Ezen a napon a besugárzott energia:11. 370, 100 kJ/m2
. Amely átszámítva
3,15 kWh/m2 nap.
2014.10.17 - Péntek 350 300 250 200 150 100 50
44. ábra Felhős nap fényintenzitásának eloszlása
66
18:00
17:30
17:00
16:30
16:00
15:30
15:00
14:30
14:00
13:30
13:00
12:30
12:00
11:30
11:00
10:30
10:00
9:30
9:00
8:30
8:00
7:30
7:00
6:30
6:00
0
A 44. ábráról szépen leolvasható, hogy egész nap be volt borulva, a fényintenzitás átlaga nem haladja meg a 150
-et. Valószínű, hogy esett az eső. Ezen a napon
a besugárzott energia: 2.716,038 kJ/m2
. Amely átszámíta 1,75 kWh/m2 nap.
67
9. Összegzés Alapvetően meg vagyok elégedve a mérésem eredményeivel. Az értékek teljesen reálisak, a kiszámolt hatásfokokkal és teljesítményekkel együtt. A két napelem típus sajátos jellegzetességeit fel tudtam fedezni a mérési adatok feldolgozásával. Itt arra gondolok, hogy az amorf napelem jobban hasznosítja a szórt fényt, mint a monokristályos, illetve, hogy a monokristályos a direkt fényből termel több energiát. Ha újrakezdeném a mérést, biztos vagyok benne, hogy sokkal hamarabb fel tudnék állítani egy jól működő mérőállomást. A fényintenzitás mérésének időintervallumát 1 óráról 15 percre csökkenteném (mint ahogy azt a mérésem utolsó hetén csináltam), mert így sokkal jobban tükrözik a valóságot az értékekből előállított grafikonok. A többlet adatokkal sokkal többet tudok elmondani az aznapi felhőmozgásról, napsütésről. Az óránkénti mentés kevés ahhoz, hogy pontos tudomást szerezzek a fényintenzitásról. Pár perc alatt elborulhat az ég, elkezdhet esni az eső, amelyről tudomást sem szerzek, ha csak óránként mentek. Vannak ötleteim, amivel lehetne még bővíteni a mérést, csak nagyon költségesek. A saját mérésemmel az volt a legnagyobb problémám, hogy nem szimultán mértem a két napelemmel, és így nem ugyanazok a fényintenzitások érték a napelemeket. Így kevésbé pontosan lehet őket összehasonlítani. Kísérletezéseim során, eszembe jutott olyan is, hogy lehetne ugyanolyan típusú napelemekkel mérni, csak mindegyiket különböző szögbe állítanám a Naphoz képest. Az így kapott adatokból meglehetne határozni, hogy milyen dőlésszög tartományban ajánlott használni egy napelem típust. Nagyon érdekelnek a napelemek, azért is választottam ezt témámnak. Szakmai gyakorlatom során is napelem rendszerekkel foglalkoztam. Azt is nagyon élveztem és sok új információra tettem szert. A szakdolgozatom írása során ezeket az információkat fel tudtam használni, illetve lényegesen ki tudtam bővíteni a tudásom a napelemek világáról. Szeretnék a későbbiekben is napelemekkel foglalkozni, és biztos vagyok benne, hogy a jövőben még hasznát fogom venni ezen időszak alatt megszerezett tudásomnak.
68
Irodalomjegyzék
[1]
John Perlin: From Space to Earth: The Story of Solar Electricity ; Harvard
University Press, 1999 [2] KKV
Megújuló energiatermelést bemutató energiapark: Napelemek mérése; BMF VEI
Budapest,
2006.
november;
Letöltési
idő:2013.03.20
http://vei.kvk.uni-obuda.hu/meresek/napelem.pdf [3]
Bársony István, Gyulai József, Lábadi Zoltán: Napelemek; MTA Műszaki
Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet (MTA MFA); Letöltési idő: 2013.04.01 http://mta.hu/data/cikk/12/90/28/cikk_129028/83BarsonyGyulaiNapelemek.pdf
[4]
Dr. techn. Turmezei Péter: Napelemes energiaellátó rendszerek katonai célú
alkalmazásának kérdései; Budapest 2003; Letöltési idő:2014.12.01 http://uni-nke.hu/downloads/konyvtar/digitgy/phd/2003/turmezei_peter.pdf
[5]
Farkas Gergely: AZ IBM PS/2: A PC történelem 25 éve; Letöltési idő:
2014.11.15 http://hu.wikipedia.org/wiki/IBM-kompatibilis_PC [6]
Phocos honlapja: Általános tudnivalók a Phocos töltésszabályzókról;
http://www.phocos.com/datasheet_sm_pl.html [7]
Óbudai Egyetem – Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar – Megújuló
Energiaforrás Kutató Hely Honlapja: A napelem cellák vizsgálatának kutatási eredményei; Letöltési Idő:2014.12.03; http://ekh.kvk.uni-obuda.hu/napelemek/13a-napelem-cellak-vizsgalatanak-kutatasi-eredmenyei.html [8]
Beatriceco holnapja; Bell története; Letöltési idő:2013.04.03
http://www.beatriceco.com/bti/porticus/bell/images/solar_battery2.gif [9]
Sörkollektor-Napkollektor – Miért a falra szereljük a kollektort; Letöltési
idő:2014.04.04; http://sorkollektor.blog.hu/2008/10/31/miert_a_falra_szereljuk_a_kollektort
69