Őrtechnológia a gyakorlatban ENERGIAFORRÁSOK I. Napelemek
Szimler András BME HVT, Őrkutató Csoport, 708.labor
Si alapú napelemek • Amorf napelemek – – – –
Vékonyréteg technológiával egész tábla Olcsó Nehéz (két üveglap) Alacsony hatásfok 4-8%
• Polikristályos Si – Hatásfoka ~ 15 % – Kicsivel olcsóbb mint a monokristályos
• Monokristályos Si – Hatásfoka ~ 17 % – UOC ~ 0,6V – Drága, földi megtérülése 10-15 év 2012.03.21.
Napelemek
2
GaAs alapú napelemek Nagyon drágák, szinte kizárólag csak őreszközök energiaellátására használják. – Egy- és kétrétegő GaAs cellák evolúciós elıdök – Háromrétegő (TJ) • • • • •
Különbözı spektrális érzékenységő rétegek egymás felett GaInP-GaAs-Ge vagy GaInP-GaInAs-Ge Gyártók: Azurspace, Emcore, Spectrolab Hatásfoka ~ 29 % UOC ~ 2,7V
2012.03.21.
Napelemek
3
A napelemek karakterisztikái I
I
ISC1
Int2
T= állandó Int2>Int1
ISC2
T2
ISC2
Int= állandó T2>T1
ISC1 T1
Int1 U UOC1 I/P
U
UOC2
UOC2 Maximális teljesítményő munkapont (Maximal Power Point)
ISC
Fill Faktor:
IMPP PMPP
FF=
P
UOC1
UMPP x IMPP UOC x ISC
U UMPP
2012.03.21.
UOC
Napelemek
4
Napelemek az őrben • Az elsıdleges energia generálási lehetıség az őrben 5CsE-en belül • Az átlagos energiasőrőség 1CsE-nél 1366 W/m2 • Fıleg háromrétegő cellák, elvétve monokristályos Si • Szélsıséges környezeti hatásoknak van kitéve – UV sugárzás, lágy röntgen sugárzás – Elektronok és protonok becsapódása – Különféle mérető meteoritok – Atomos oxigén – Termikus ciklusok (-100/+100°C) 2012.03.21.
Napelemek
5
A napelemtáblák szerkezete • Táblák száma és elhelyezkedése (nyitható, body) • Cellák soros és sztringek párhuzamos kapcsolásával • Cellák és védıüveg ragasztása RTV2 szilikonnal
2012.03.21.
Napelemek
6
2012.03.21.
Napelemek
7
A napelem cellák elektromos bekötése
• Forrasztással (Au bevonat esetében problémás, AuSn4 üvegszerő) • Ponthegesztéssel (Paralel Gap Welding) • Ultrahangos hegesztéssel 2012.03.21.
Napelemek
8
Parallel gap welding • Kivezetés anyaga ezüstözött INVAR (minimális hıtágulás) FeNi36 α=1,2 – 0,62 ppm/K, hosszú szakaszon meander alak
• Egyéb felhasználású fontos FeNi ötvözetek – FeNi42 (sziliciummal azonos hıtágulás) – KOVAR FeNi29Co17 (üveggel azonos α, hermetikus átvezetések)
2012.03.21.
Napelemek
9
A napelemcellák ragasztása Wacker RTV-S 691 Kétkomponenső (A/B), szobahımérsékleten vulkanizálódó szilikon ragasztó • • • •
Alacsony hımérsékleten is rugalmas (<-100C°) Alacsony gázkibocsátás Keverési arány 9:1 Felületek elıkezelése Primer G790A-val
2012.03.21.
Napelemek
10
Napelemek és hozzá kapcsolódó áramkörök tesztelése • Mőnap – Halogén izzós (spot lámpa, vonalizzós fényvetı) • Egyszerő, olcsó, túl sok infra és kevés UV tartalom
– Xenon ívlámpás • Drága, bonyolult, pontosabb spektrum, kicsi megvilágított felület
• Napelem szimulátor – Diódás • Egyszerő, olcsó, pontatlan karakterisztika
– Programozható DC tápegység • Drága, pontos karakterisztika 2012.03.21.
Napelemek
11
Mőnapok tulajdonságai • • • • •
A fény spektrális összetétele (AM0, AM1, AM1,5) A megvilágítás homogenitása A megvilágított felület nagysága A fényintenzitás állíthatósága A megvilágítási üzemmód (folytonos, flash)
2012.03.21.
Napelemek
12
A fényforrások spektrális összetétele
Xe lámpa
2012.03.21.
Napelemek
Halogén izzó
13
Xe ívlámpás mőnap • A legközelebb van a spektruma a Napéhoz • Veszélyes (UV, robbanás) • Bonyolult felépítés, meghajtás – Begyújtásához több kV – Meghajtás DC árammal
• Kicsi a megvilágított felület • Drága
2012.03.21.
Napelemek
14
Xe lámpa SVX-1450 tápegység Pout max= 500W Iout= 10 - 30A
LAX-1450 Xe lámpaegység 600W
A fényintenzitás eloszlása egy 10x10cm-es felületen (2x2cm-es Si cella rövidzárási árama mA-ben) 5
4
125-145 105-125 85-105
3
65-85 45-65 25-45
2
1 1
2012.03.21.
2
3
4
Napelemek
5
15
Egyszerő halogén izzós mőnap FÉNYFORRÁS 3db OSRAM HALOSPOT-111 41835 SSP, 111mm-es fémtükrös 12V/50W, 40 000cd, 4º, 2900K MEGHAJTÁS Rohde Schwarz NGRE30/20 DC labor tápegység 0-30V, 0-20A A fényintenzitás eloszlása egy 10x10cm-es felületen (2x2cm-es Si cella rövizárási árama mA-ben)
5
115-125
4
105-115 95-105 85-95
3 75-85 65-75
2
1 1
2012.03.21.
Napelemek
2
3
4
5
16
A halogén izzós mőnap egy hallgatói mérésben
140
700
120
600
100
500
80
400
60
300
40
200
20
100
0
Psa, Pbat [mW]
Isa [mA]
12 cellás napelem tábla U/I és U/P karakterisztikája
Isa Psa
0 0
1
2
3
4
5
6
Usa [V]
2012.03.21.
Napelemek
17
Napelem szimulátorok • Diódás napelem szimulátor – Egyszerő, olcsó, használata korlátozott
• Programozható szimulátor tápegység – Drága – A karakterisztika pontosan lekövethetı Agilent E4360 fıegység + E436xA DC modulok • • • •
Fix üzemmód SAS üzemmód: Isc, Uoc, Ump/Imp értékekbıl generál 4096db pontot Tábla üzemmód: 3 - 4000db U/I pont megadása Idıbeli változás is programozható
2012.03.21.
Napelemek
18
Diódás napelem szimulátor Négy darab soros cellából álló, homogén megvilágítású napelem tábla egyszerősített helyettesítı képe A napelem cella elektromos helyettesítı képe
2012.03.21.
A diódás napelem szimulátor elvi kapcsolási rajza
Napelemek
19
A diódás napelem szimulátor áramköri megvalósítása Ube+ 15V D14 TL431 R1 20
DIÓDÁS NAPELEM SZIMULÁTOR U/I ÉS U/P KARAKTERISZTIKÁJA
D15 1N4148 Q1 BD138 SA+ R2 1k5
140
700
120
600
100
500
80
400
60
300
D6 MR852
40
200
D7 MR852
20
100
D8 MR852
0
D1 MR852
SA-
D3 MR852
Isa sc ~ Uref / R1 Uref= UTL431=2,5V
D4 MR852 D5 MR852
Is a [m A ]
D2 MR852
D9 MR852
P s a , P b a t [m W ]
Ube-
0 0
1
2
3
4
5
6
Usa [V]
Isa
2012.03.21.
Napelemek
Psa
20
A Rosetta Lander napelem szimulátorai Áramgenerátor nélküli diódasor a karakterisztika termikus változtatásához
A lander thermál vákuum kamrában
2012.03.21.
Áramgenerátorral egybeépített szimulátor
A lander napelem tábláinak feszültsége 3 CsE esetén
Napelemek
21
A MASAT-1 ideiglenes napelem befogói
A cella rövidzárási árama mA-ben természetes megvilágítás esetén
2012.03.21.
Napelemek
22
A MASAT-1 napelemeinek mérése Xe és halogén lámpákkal egyszerre megvilágítva Cellák hőtése 2db radiális ventilátorral
2012.03.21.
Napelemek
23
Ellenırzı kérdések • Milyen Si alapú napelemeket ismer, melyek ezek fıbb tulajdonságai? • Milyen GaAs alapú napelemeket ismer, melyek ezek fıbb tulajdonságai? • Hogyan néz ki egy napelem cella U/I karakterisztikája a megvilágítás és a hımérséklet függvényében? • Hogyan néz ki egy napelem cella U/P karakterisztikája? • Milyen FeNi ötvözeteket ismer, melyek ezek lényeges tulajdonságaik és felhasználási területük? • Melyek egy mőnap lényeges tulajdonságai? • Milyen mőnap megvalósítási lehetıségeket ismer, melyek ezek fıbb tulajdonságai? • Milyen napelem szimulátor megvalósítási lehetıségeket ismer és melyek ezek fıbb tulajdonságai? • Hogyan néz ki egy napelem cella elektromos helyettesítı képe, valamint a diódás napelem szimulátor elvi kapcsolási rajza?
2012.03.21.
Napelemek
24
Köszönöm a figyelmüket!
2012.03.21.
Napelemek
25
