PowerPoint bemutat

Veszprmi Kroly, Hunyr Mtys, Vajda IstvnBME Villamos Energetika TanszkA megjul energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262)TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048A Projekt az Eurpai Uni tmogatsval, az Eurpai Regionlis Fejlesztsi Alap trsfinanszrozsval valsult meg

15. rszFotoelektromos energiaforrsok alkalmazsa22A lehetsgek:3A nap ltal a Fldre eljuttatott teljestmny elkpeszt mrtk: a Fldre a napbl tlagosan kb. 1.2x1017W teljestmny jut el.A megjul energik legtbbjnek forrsa szintn a nap (vzenergia, szlenergia, hullmenergia, stb.) kzvetett mdon. A napenergia kzvetlen hasznostsnak kt mdja lehetsges: melegts (elssorban vz) s elektromos ram termels. Mi az utbbival foglalkozunk.3Trtneti ttekints, mrfldkvek4Felfedezs: Edmund Becquerel francia fizikus.A szilrd fotovillamos anyagok kifejlesztse. Az els flvezet alap napelem 1953-ban. Az els alkalmazs az rtechnikban1958-ban. Szlesebbkr fldi alkalmazst a hetvenes vek olajvlsga indtotta el. Napjainkban a fejlds egyre gyorsul.2002-ben a vilgon zembenlv fotovillamos energiatermel rendszerek teljestmnye 2000MWp volt.A gyrts vente legalbb 20%-al ntt az elmlt vekben. A visszafogott becslsek is nagy arny fejldst prognosztizlnak az elkvetkez vtizedekre.A trtnet 1839-ben kezddtt. Edmund Becquerel francia fizikus ekkor fedezte fel, hogy egy alkli tartalm folyadkba helyezett s napfnnyel megvilgtott kt fmlemez kztt villamos feszltsgklnbsg keletkezik. Ezt hvjuk fotovillamos jelensgnek.Az elv megrtst s gy a jelensg tovbbfejlesztst az anyagok elemi rszeinek jobb megismerse tmogatta. Ez a fejlds vezetett a ma is hasznlatos szilrd fotovillamos anyagok kifejlesztshez. Az els ilyen flvezet alap napelemet 1953-ban Chapin, Fuller s Pearson alkotta meg. Ezutn nem sokkal mr alkalmaztk is az rtechnikban: a Vanguard 1. nev mhold villamosenergia elltsra 1958-ban. Szlesebbkr fldi alkalmazst a hetvenes vek olajvlsga indtotta el. Napjainkban a fejlds egyre gyorsul. 1991-ben 50MWp (Megawatt peak, Megawatt cscs) sszteljestmny fotoelektromos modult gyrtottak a vilgon.

4Elnyk-htrnyok5A fotovillamos energiatermelsnek szmos elnye van:Nincsenek mozg alkatrszek, ezrt csendes, megbzhat, nincs kops.Mkdsi s fenntartsi kltsgei alacsonyak (nincs zemanyag igny).Nem termel a Fldet s lgkrt szennyez anyagokat, hulladkot.Az energia ott termelhet, ahol elfogyasztjk.Kt htrnyt kell kiemelni:A telepts tkeignye nagy.ltalban akkor jelentkezik nagyobb energiaigny, amikor a sugrzs intenzitsa kicsi.Ezek alapjn lehet megtallni a fotovillamos energiatermels szbajhet terleteit:rtechnika, ahol a fotoelektromos ramforrs kltsgignye az egyb kltsgek mellett nem tl jelents s nincs tl sok vlasztsi lehetsg.A villamos hlzattl tvolfekv helyek (hradstechnikai berendezsek, jelzberendezsek, mrllomsok, biztonsgi berendezsek, kzlekedsi alkalmazsok, vz szivattyk, stb).55.1. A napelemek mkdse, villamos jellemzi, konstrukcis felptse6A napelemek, vagy fotovillamos elemek flvezet anyagbl kszlnek (szilcium).Napelem kszthet kristlyos s amorf szilciumbl. A kristlyos szilcium lehet egykristlyos s polikristlyos.A napelemek alapvet felptse a flvezet elemekhez hasonl (p-n tmenet). A kt rteg hatrn kialakul p-n tmenet didaknt mkdne. Napelem gy lesz belle, ha a flvezett fny ri, s a fny energija kszteti a tltshordozkat az energialpcs lekzdsre. A megfelel energij fotonok elnyelse elektron-lyuk prokat hoz ltre a flvezet mindkt rtegben. A kisebbsgi tltshordozk tvndorolnak a p-n tmeneten keresztl a msik rtegbe, ami ramot hoz ltre, a napelem ramforrsknt hasznlhat.

A napelemek, vagy fotovillamos elemek flvezet anyagbl kszlnek. A flvezet anyag tbbfle lehet, de a leggyakrabban a szilciumot alkalmazzk. Napelem kszthet kristlyos s amorf szilciumbl. A kristlyos szilcium napelemeknek is kt formjuk van: az egykristlyos s a polikristlyos napelemek. Az egykristlyos napelemek drgbbak, de a hatsfokuk is nagyobb.A napelemek alapvet felptse a flvezet elemekhez hasonl. A mkds alapja itt is a p-n tmenet. A szoksos diffzis flvezet technolgiai mveletekkel p tpus (pozitv tlts tbbsgi tltshordozkat, lyukakat tartalmaz) s n tpus (negatv tlts tbbsgi tltshordozkat, elektronokat tartalmaz) rteget alaktanak ki a tiszta flvezet anyag szennyezsvel. A kt rteg hatrn kialakul p-n tmenet didaknt mkdne, amelyben az energialpcst a tltshordozk a rkapcsolt megfelel polarits feszltsg hatsra kpesek tlpni. Napelem gy lesz belle, ha a flvezett fny ri, s a fny energija kszteti a tltshordozkat az energialpcs lekzdsre.

6A napelemek villamos jellemzi7A napelem helyettest kapcsolsa ezek alapjn felrajzolhat Az If fotoelektromos ram, amelyet a megvilgts hoz ltre, egy ramgenertorral reprezentlhat, a flvezet p-n tmenete pedig egy vele prhuzamosan kapcsolt didt alkot.

gy az I kimen ram a fotoelektromos If ram s az ID dida ram klnbsgeknt addik:I=If-ID

78Ismerve a dida ID-U jelleggrbjt, a napelem I-U jelleggrbje felrajzolhat egy adott If ramra, ami tbb tnyeztl is fgg:

8Alapvet villamos jellemzk9U resjrsi feszltsg (I=0). Irz rvidzrsi ram (U=0). Maximlis leadott teljestmny Pmax. A napelem jellemzsre bevezetnek egy kitltsi tnyezt (K), amivel a maximlis teljestmny az resjrsi feszltsgbl s rvidzrsi rambl kiszmolhat:Pmax=KUIrzA napelemek s napelem modulok nvleges teljestmnyt Wp-ben (Watt peak, Watt cscs) adjk meg. Ez az a maximlis teljestmny rtk, amit szabvnyos krlmnyek kztt (lsd a hatsfoknl) szolgltat.U resjrsi feszltsg (I=0). Szilcium napelemek szoksos resjrsi feszltsge 0,55-0,65V. resjrsban a fny ltal generlt ram teljes egszben a didn keresztl folyik.Irz rvidzrsi ram (U=0). rtke tbb tnyeztl is fgg. (lsd ksbb).Maximlis leadott teljestmny Pmax. P=UI, azaz a maximlis teljestmnynek megfelel pontot grafikusan a jelleggrbn a maximlis terlet U, I oldal tglalap megkeressvel hatrozhatjuk meg. A napelem jellemzsre bevezetnek egy kitltsi tnyezt (K), amivel a maximlis teljestmny az resjrsi feszltsgbl s rvidzrsi rambl kiszmolhat:Pmax=KUIrz

9

Hatsfok10A napelemek hatsfokt jl definilt szabvnyos krlmnyek kztt a napelem ltal szolgltatott maximlis teljestmny Pmax s az t rt sugrzs teljestmnynek hnyadosval definiljk. A leggyakrabban hasznlt szabvnyos krlmnyek a kvetkezk:A napsugrzs terletegysgre es teljestmnye: 100mW/cm2=1kW/m2.A levegben megtett t hatsa a napsugrzs beessi szgnek fggvnyben (leveg tmeg Air Mass; AM=1 merleges, AM=0 rbeli alkalmazs, ld. bra), ennek szabvnyos rtke: AM=1,5A napelem hmrsklete: 25C1011Napjainkban a megfelelen kialaktott egykristlyos napelemek hatsfoka 15-17% krli. Az egyszerbben elllthat s gy olcsbb polikristlyos szilcium napelemek hatsfoka kisebb, 13% krli. Az amorf szilciumbl ellltott napelemek mg olcsbban llthatk el, hatsfokuk azonban jval kisebb (6%). Laboratriumi krlmnyek kztt 22%-os hatsfok szilcium napelemek is kszltek. Tbbrteg napelemekkel mr 30% feletti hatsfokot is mrtek.

Az amorf szilciumbl ellltott napelemek mg olcsbban llthatk el, hatsfokuk azonban jval kisebb (6%). Ezeket elssorban kisebb energiaigny eszkzkben, mint pldul rkban, zsebszmolgpekben alkalmazzk.Tbbrteg napelemekkel mr 30% feletti hatsfokot is mrtek. Az egyrteg napelemekkel elvileg elrhet hatsfok 27% krli. Tbbrteg napelemekkel akr 60% feletti hatsfok is elrhet egyes kutatk szerint.

11Vesztesgek12Alapvesztesgek:H disszipci. A fnynek csak bizonyos spektrumt hasznlja fel a napelem.Rekombinci:jra egyesls. Fny vesztesgek:A sugrzs egy rsze nem ri el a flvezett.

Alapvesztesgek:Egyrszt a foton ltal vgzett tltshordoz generls h disszipcit is okoz. Msrszt a flvezet csak azokat a fotonokat kpes elnyelni, amelyek megfelel energival rendelkeznek az energialpcs thidalshoz. Ez azt jelenti, hogy a fnynek csak bizonyos spektrumt hasznlja fel a napelem. a tbbrteg napelemek.Rekombinci:A rekombinci a tltshordoz sztvlaszts ellenttes folyamata: jra egyesls. Kikszblsre konstrukcis megoldsok szlettek.Fny vesztesgek:A sugrzs egy rsze nem ri el a flvezett: visszaverds, a fels kontaktusok rnykol hatsa s a fnyelnyels nem tkletes volta. Cskkentse konstrukcis eszkzkkel lehetsges.

12A villamos jellemzket befolysol tnyezk13A hmrsklet hatsa:A hmrsklet vltozs leginkbb a napelem feszltsgt befolysolja: nvekv hmrsklettel cskken. A sugrzs intenzitsnak hatsa:A napelem mkdsbl kvetkezik, hogy ha minl nagyobb a sugrzs intenzitsa, annl nagyobb a generlt tltshordozk szma, s gy nagyobb a napelem rama. A napelem rvidzrsi rama egyenesen arnyos a sugrzs intenzitsval.

A hmrsklet hatsa:A hmrsklet vltozs leginkbb a napelem feszltsgt befolysolja: nvekv hmrsklettel cskken. A szilcium napelem hmrskleti egytthatja negatv, tipikusan 2.3mV/C. Az ram s a kitltsi tnyez kevsb fggnek a hmrsklettl, s vltozsuk elhanyagolhat.A sugrzs intenzitsnak hatsa:A napelem mkdsbl kvetkezik, hogy ha minl nagyobb a sugrzs intenzitsa, annl nagyobb a generlt tltshordozk szma, s gy nagyobb a napelem rama. A napelem rvidzrsi rama egyenesen arnyos a sugrzs intenzitsval. A feszltsg vltozsa sokkal kisebb s a gyakorlatban elhanyagolhat.

1314Soros ellenlls hatsa.A napelem ramnak elvezetse hatatlanul Joule h-vesztesget okoz. Mint lthat, a soros ellenlls fknt a kitltsi tnyez cskkentsn keresztl hat a napelem jellemzire.

14A napelem konstrukcis felptse15A kristlyos szilcium napelemek szoksos alakja vagy kr, vagy ngyzet, kb. 100mm-es mretekkel. A napelem lapka szoksos felptse az brn lthat. A flvezet rtegektl az ramot a kontaktusok viszik el. A megvilgts oldali kontaktust minl kevsb rnykolv kell kszteni. A szilcium lapka fels oldalt bevonjk visszaverdst cskkent rteggel.

A kristlyos szilcium napelemek szoksos alakja vagy kr, vagy ngyzet, kb. 100mm-es mretekkel. Egy ilyen napelem 3A krli ramot s 0,5V krli feszltsget szolgltat.A napelem lapka szoksos felptse az brn lthat. A flvezet rtegektl az ramot a kontaktusok viszik el. A megvilgts oldali kontaktust minl kevsb rnykolv kell kszteni. Ezt ltalban fmbl kszlt vkony elemeket tartalmaz rcsknt ksztik, amelyek ramt aztn vastagabb vezetkek gyjtik ssze.

15

5.2. Fotoelektromos rendszerek felptse16A fotoelektromos rendszerek legltalnosabb osztlyozsa a villamos szolgltat hlzatra val csatlakozsa vagy attl fggetlen mkdse alapjn lehetsges: Ez alapjn lehet autonm vagy hlzatra kapcsolt a rendszer. A hlzatra kapcsolt zem egyik formjban a hlzat csak segd tpllst nyjt. A msik formban a fotoelektromos rendszer terhels ltal el nem fogyasztott tbblet energijt visszatpllja a hlzatba.

Nem a napelemek az egyetlen sszetevi egy fotoelektromos rendszernek:EnergiatrolramirnyitSzablyozHlzatra tplls szlssges esete a fotoelektromos erm, amely a teljes termelt energit a hlzatba tpllja.

Nem a napelemek az egyetlen sszetevi egy fotoelektromos rendszernek:

Legtbbszr egy fotoelektromos rendszer tartalmaz energia trolt, ami jjel s nem megfelel idjrsi viszonyok esetn szolgltatja az energit.A napelemek egyenramot szolgltatnak. A legtbb berendezs vltakoz ramot ignyel, ezrt ramirnytra is szksg van.Egyb szablyozsok is szksgesek, hogy a napenergia talakts sztochasztikus vltozsaibl a fogyaszt minl kevesebbet rzkeljen.

16A fotoelektromos genertor17Ez az egysg vgzi a fnyenergia talaktst elektromos energiv. Egy napelem feszltsge s teljestmnye nem elegend a fogyaszt vagy az energiatrol tpllshoz, tbb napelem sszekapcsolsra van szksg, napelem modull.

Megjegyzsek:A hmrsklet vltozs hatsa abszolt rtkben felersdik tbb napelem soros kapcsolsval. A sugrzs intenzitsnak hatsa szintn felersdik tbb napelem prhuzamos kapcsolsa esetn. Ez a modul rvidzrsi ramra hat elssorban.Soros kapcsols esetn, ha valamelyik napelem nem termel ramot (pl. rnykban van), akkor egy zrirnyban ignybevett didnak (kzel szakadsnak) tekinthet a tbbi szmra, vesztesgi energit dissziplva. E jelensg kikszblsre prhuzamos (by-pass) didkat alkalmazhatunk.jjel, megvilgts nlkl, a napelemek szintn didaknt viselkednek. Szivrgsi ramuk az energiatrol akkumultor kistst eredmnyezheti. Ezrt a soros gakba megfelel irnyban zr didt iktathatnak be. Ez nappal feszltsg esst s vesztesget okoz.

17Teljestmny talakt s szablyoz18Ez teremti meg a kapcsolatot a fotoelektromos genertor s a tbbi egysg kztt. Az energiatrol akkumultor fel a megfelel mrtk tltsrl s a tlzott mrtk kists elkerlsrl kell gondoskodnia. A fogyaszt fel pedig a megfelel nagysg s ramnem feszltsg s teljestmny biztostsa a feladata.

A specilis, napelemes tpllshoz hasznlt teljestmnyelektronikai eszkzkkel szembeni kvetelmnyeket elssorban az energetikai megfontolsok (kevs vesztesg, j hatsfok) s gazdasgossgi kvetelmnyek (egyszer, kevs elembl ll, olcs, megbzhat) hatrozzk meg:A teljestmny kapcsolknak kis vezet irny feszltsgesse legyen. (Schottky didk, nagymrtkben teltett bipolris tranzisztorok, prhuzamos kapcsols).Minl kevesebb teljestmnykapcsolt tartalmazzon. A klnfle feladatokat lehetsg szerint ugyanaz a berendezs lssa el. Minl kisebb vezrlsi teljestmnyre legyen szksg.Impulzusszlessg modulci esetn a minl kisebb kapcsolsi vesztesgek vgett a nagy kapcsolsi frekvencik nem megengedettek. Ha szksges alkalmazni, a snubber kis vesztesg, vagy visszatpll legyen.

18Energiatrols19Mivel a napelem ltal termelt energia idben szlssges mrtkben vltozik a krlmnyeknek megfelelen s a legtbb esetben nem azonnal kerl felhasznlsra, fotovillamos ramforrsok esetn energiatrolra van szksg (ENERGIA EGYENSLY). Hlzatra kapcsolt rendszer esetn az energiatrols megoldott, maga a hlzat kpes felvenni az energit. A hlzattl fggetlenl mkd, autonm, nll fotovillamos ramforrs esetn meg kell oldani az energiatrols mdjt. Az energiatrolsrl kln lesz sz, itt csak sszefoglals szintjn kerl el, rszletesebben az akkumultoros energiatrols specilis krdseivel foglalkozunk fotovillamos rendszerekben:

19sszefoglal20

205.3. Akkumultorok fotovillamos rendszerben21Fotovillamos rendszerben az akkumultorok specilis, nem szoksos krlmnyek kztt mkdnek lettartam, a rendszer hatsfoka. Az akkumultorban alapveten kt folyamat zajlik: a tlts s a kists, ciklikusan:

A napi ciklus alatt az akkumultor nappal tltdik, majd az jszakai terhels sorn kisl.Az idjrsi ciklust a vltoz idjrsi krlmnyek (a napsugrzs vltozsa az idjrssal) okozzk. Ez a ciklus fellp minden olyan esetben, amikor a napi terhels meghaladja az tlagosan szolgltatott fotovillamos energia mennyisgt.A szezonlis ciklus az vszakok ciklikus vltozsa miatt alakul ki, ha az akkumultor szezonlis trolknt mkdik. Ekkor az idjrsi ciklus az vszak nagy rszt tfogja.

21Az akkumultorok legfontosabb jellemzi fotoelektromos rendszerben22Ezek ltalban az ilyen rendszerekben fellp klnleges, szlssgesnek is tekinthet zemi krlmnyekbl kvetkeznek. Ez a szlssges krlmny legtbbszr arra vezethet vissza, hogy nincs meg az energia egyensly a fotoelektromos ramforrs s a fogyaszt kztt. Ez motivlja azt az ignyt, hogy trje el az akkumultor a szlssges tltsi krlmnyeket, j hatsfoka legyen, hogy minl tbb energit ki lehessen venni belle. A szlssges tltsi krlmnyek trsnek kpessge. Tlts-kistsi energetikai hatsfok. Mkdsi hmrsklet tartomny. Karbantarts igny. Az akkumultor ra, lettartama.A szlssges tltsi krlmnyek trsnek kpessge. Ezeket tltltsnek s mlykislsnek nevezik. A tlzott kisls elkerlsre bevezetik a kislsi mlysg hatrt megad rtket: a kivehet tltsmennyisg a nvleges tltsmennyisgre vonatkoztatva: PDmax30%..60%.Tlts-kistsi energetikai hatsfok. A tltskor bevitt energinak hny szzalka nyerhet vissza a kists sorn.Mkdsi hmrsklet tartomny. Fotovillamos alkalmazsnl szlssges hmrskleti viszonyok fordulhatnak el. Karbantarts igny. Lteznek "karbantarts mentes" ill. "csekly karbantarts igny" akkumultorok, de azok drgbbak s kevsb trik a magas hmrskletet. A fotovillamos rendszerek gyakran tvol vannak a szervizels helytl, ezrt gyakran nem hozzrt emberek kezelik az akkumultorokat.Az akkumultor ra, lettartama.

22Savas lomakkumultorok23Fotovillamos rendszerekben energiatrolsi clra legltalnosabban savas lomakkumultorokat hasznlnak elssorban hozzfrhetsgk s kltsghatkonysguk miatt.Gpjrm indt akkumultorok trivilis vlasztsnak tnnek, de:Rvid ideig nagy teljestmnycscs leadsra kpes. Tmeggyrtmny.Viszonylag rvid az lettartamuk. A fotovillamos rendszerek terjedsvel a gyrtk felismerve ennek jelentsgt, a hagyomnyos gpjrmindt akkumultorok csekly mdostsval "szolris" akkumultort is gyrtanak s forgalmaznak, vastagabb lemezekkel, tbb s hgabb elektrolittal. Ezt mdostott gpjrmindt akkumultornak nevezzk.

Gpjrm indt akkumultorok trivilis vlasztsnak tnnek, de:Rvid ideig nagy teljestmnycscs leadsra kpes. Lemezei vkonyak, felletk nagy, kevss alkalmas kis ramerssgek hosszantart szolgltatsra kt idben viszonylag tvoli tlts kztt. Pedig napelemes alkalmazsokban erre lenne szksg, ezrt nagyobb kapacits beptse szksges (PDmax0,1).Tmeggyrtmny, ezrt olcs, jrafelhasznlsa megoldott (krnyezetvdelem).Viszonylag rvid az lettartamuk. Napelemes alkalmazsban a lemezek korrzijt cskkenteni s gy az lettartamot nvelni kisebb srsg elektrolittal lehet. Ezzel a bels ellenllsa n, de ez napelemes alkalmazsban nem jelent gondot, mivel ekkor a tlt s kist ramok jval kisebbek, mint hagyomnyos felhasznlsa esetn.

23A kistsi sebessg hatsa24Fotovillamos rendszerben lnyeges kihangslyozni a kistsi sebessg hatst az akkumultor kapacitsra. A savas lomakkumultor feszltsgnek tipikus viselkedse lthat az brn, ktfle kistsi sebessgre. Lthat, hogy az akkumultor kapacitsa jelentsen cskken gyors kists esetn.

A savas lomakkumultor feszltsgnek tipikus viselkedse lthat az brn, ktfle kistsi sebessgre. Lthat, hogy az akkumultor kapacitsa jelentsen cskken gyors kists esetn. Ezt a fotovillamos rendszer tervezsnl figyelembe kell venni, hiszen az jelentsen eltr krlmnyek kztt mkdhet az akkumultor specifikcijhoz kpest. Pl. egy akkumultor, amelynek nvleges kapacitsa 10 rs kistsi sebessgre van megadva, a fotovillamos rendszerben tipikusabb 100 rs kistsi sebessg esetn jelentsen nagyobb kapacitst mutathat.

24Tltsszablyoz25A kros folyamatok elkerlsnek felttelei kzl nhny egymsnak ellentmond. A tltsszablyoz elsdleges feladata az akkumultor megvdse a tltltstl s a tlzott kiststl. Szintn feladata megvdeni a fogyasztt az extrm zemllapotoktl. Egyszer feszltsgvezrelt tltsszablyozt hasznlnak.Mlykists elleni vdelemmelTltlts megakadlyozssal

A kros folyamatok elkerlsnek felttelei kzl nhny egymsnak ellentmond. Pldul magas tltsi feszltsg kell a teljes feltltshez, ugyanakkor ez korrzit s vzvesztesget okoz. gy a tltsszablyoz belltsa kompromisszumokon alapul.A tltsszablyoz elsdleges feladata az akkumultor megvdse a tltltstl s a tlzott kiststl. Szintn feladata megvdeni a fogyasztt az extrm zemllapotoktl. A feladatok teljestst az akkumultor feltltttsg llapota alapjn lehet tkletesen elvgezni. Az ezen alapul berendezsek bonyolultak s drgk, ezrt napelemes rendszerekben elssorban egyszer feszltsgvezrelt tltsszablyozt hasznlnak.A mlykists elleni vdelem azon alapszik, hogy a terhelst megsznteti, ha az akkumultor feszltsge egy kszbrtk al kerl. Ezt az rtket "terhels lekapcsolsi" feszltsgnek nevezik. Visszakapcsols egy ennl magasabb un. "terhels visszakapcsolsi" feszltsgszint elrsekor lehetsges. A tltlts megakadlyozshoz meg kell szntetni a tltramot, ha az akkumultor feszltsge meghalad egy "tltsi vgfeszltsgnek" nevezett rtket. A tltst akkor szabad folytatni, ha a feszltsg leesik egy "visszalltsi rtk" al. A mszaki kritriumokat itt is kompromisszumokkal lehet tbb-kevsb sszehangolni.

2526Alapveten a tltsszablyoznak ktfle tpusa van attl fggen, hogy a kapcsol hol helyezkedik el. A "soros" tpus tltsszablyoz beavatkozsakor megszaktja a napelem s az akkumultor kzti kapcsolatot, a "snt" tpus pedig rvidre zrja a napelemeket. Az elst a nagyobb, a msodikat a kisebb teljestmny alkalmazsokban hasznljk. A vezrlsi elv is ktfle lehet: a "ktlpcss" vezrlsnl a tltsi vgfeszltsg elrsekor a tltram teljesen megsznik, mg az impulzusszlessg modulcis vezrlsnl fokozatosan cskken s gy a feszltsg lland marad.A terhelst tpll teljestmnyelektronikai egysg ellthatja a tltsszablyoz szerept is.

26nszablyozott akkumultor tlts27Kis rendszerekben a fotoelektromos genertor, zr dida, akkumultor kapcsols elegend lehet a tltsszablyozs nmkd megvalstsra, ha a fotoelektromos genertor mkdsi pontjt az akkumultor tlts ignyeinek megfelelen lltjuk be.

Az akkumultor feszltsge egy minimlis (megengedhet kisttt llapot) s egy maximlis (teljes) tltttsg kz kell hogy essen. Ha a fotoelektromos genertor mkdsi feszltsgt e sv fels szlre lltjuk (I-U jelleggrbe knykpontja), kis mrtk akkumultor feszltsg emelkeds ugrsszeren lecskkenti a tltramot, automatikusan megakadlyozva a tltltst

275.4. Maximlis teljestmnyre szablyozs (MTSZ)28A napelem I-U jelleggrbjnek megfelelen van egy olyan pont, ahol a napelem a lehetsges maximlis teljestmnyt adja le.Ez sajnos nem automatikusan ll el. A napelem s a hozz kapcsold terhels munkapontjt jelleggrbik metszspontja hatrozza meg. A maximlis teljestmny munkapontot tbb tnyez is befolysolja. A terhels rszrlA napelem rszrl

A maximlis teljestmny munkapontot tbb tnyez is befolysolja. Ezek a napelem vagy a terhels jelleggrbjnek vltozsra vezethetk vissza:A terhels rszrl: Ha vltozik a teljestmny ignye, msik munkapontban fog mkdni.Ha vltoznak a terhels paramterei (pl. a motorok ellenllsa).A napelem rszrl mint lttuk kt tnyez befolysolja az I-U jelleggrbt: A megvilgts amely szlssges mrtkben vltozhat mind a napi ciklusnak (nappal-jjel, nap beessi szg) mind a klimatikus ciklusnak (idjrsi viszonyok) mind a szezonlis ciklusnak megfelelen. A megvilgts vltozsa okozza a napelem jelleggrbjnek jelents vltozst. Uopt kzel fggetlen a megvilgts intenzitstl, a Pmax-U grbe j kzeltssel fgglegesA hmrsklet ami a krnyezeti krlmnyektl fgg. Ez a kevsb jelents vltozs. 2829Ha azt akarjuk, hogy fotoelektromos ramforrs mindig a maximlis teljestmny pontjban dolgozzon, akkor errl mestersgesen kell gondoskodni.Ez az esetek tbbsgben csak akkor tehet meg, ha a rendszer tartalmaz energiatrolsi lehetsget (pl. akkumultor) a maximlis teljestmnyre szablyozs rendszerfgg

2930

30MTSZ megvalstsi elv31

A maximlis teljestmnyre szablyozs brmely megvalstsa alapveten visszavezethet egy impedancia illeszts megvalstsra. Brmely terhels a napelem kimen kapcsai fell nzve helyettesthet egy egyenrtk egyen impedancival (ellenllssal). Ez az rtk vltozik s vltoztathat klnfle mdokon az egyes esetekben (pl. a terhelssel), s ez teszi lehetv a maximlis teljestmnyre szablyozst. Ennek elvi bemutatsra rajzoltuk fel az brt, ahol ohmos terhelst felttelezve brzoltuk a fotoelektromos genertor s a terhels I-U jelleggrbit valamint lland teljestmny P=UI=ll. grbket. Lthat, hogy a kzvetlen tpllsnak megfelel 1. jel munkapontban a teljestmny s a feszltsg is jval kevesebb, mint a maximlis teljestmny pontban. A maximlis teljestmnyre szablyozs pldul egy DC/DC talaktt alkalmazhat ebben az egyszer esetben, amely a terhels feszltsgt Uo-rl felnveli, a terhels a 2. jel pontban, a fotoelektromos genertor pedig a maximlis teljestmny pontban mkdik.

31A terhels tpusok sszehasonltsa Pmax kzeltse szempontjbl32A napelem-terhels rendszer esetn a napelem ltal leadott munkaponti teljestmnyt a napelem s a terhels egyttesen hatrozza meg. Elfordulhat, hogy megfelel mretezs esetn a terhels olyan, hogy a rendszer legtbbszr kzel mkdik az optimlis munkaponthoz, nincs szksg maximlis teljestmnyre szablyozsra. A vizsglt terhelstpusok:Ohmos terhels.Akkumultor terhels.Vz elektrolzis (lsd hidrogn termels).Egyenram motor, amely ktfle szivattyt hajt: volumetrikus (fordulatszmtl fggen kb. lland terhelnyomatkot jelent), centrifugl (ekkor a terhelnyomatk kb. ngyzetesen fgg a fordulatszmtl).

32Ohmos terhels33Az ohmos terhels I-U jelleggrbje a kvetkez egyszer sszefggssel rhat le: U=IRR=13

3334A mg rzkletesebb jellemzsre rdemes bevezetni egy kihasznlsi hatsfokot, ami az adott sugrzsi intenzitsnak megfelel teljestmnyek hnyadosval definilhat:

G=100P/Pmax

Ltszik, hogy ennl a terhels tpusnl jelents eltrsek vannak, kell szablyozs (impedancia illeszts).

34Akkumultor terhels35Ez az az eset, amikor az akkumultor egyedl csatlakozik a napelemhez. Ez a mkds a terhels lekapcsolsakor ll el.Az akkumultor Uak feszltsge a mkds sorn egy minimlis s egy maximlis rtk kztt vltozhat, amelyek a kisttt s a feltlttt llapotoknak felelnek meg. Az akkumultor I-U jelleggrbje a kvetkez egyenlettel jellemezhet:U=Uak-IRbMegfelel mretezsvel j illesztst tudunk megvalstani

U=Uak-IRbAhol Uak az akkumultor bels feszltsge, Rb pedig a bels ellenllsa.Ha a kis rtk bels ellenllst elhanyagoljuk, a jelleggrbe U=Uak lland feszltsgre egyszersdik.A minimlis 115V s a maximlis 135V-nak megfelel grbk (P(115) s P(135)) lettek felrajzolva s hasonlthatk ssze a maximlis teljestmny grbjvel.

35Vz elektrolzis36Az elektrolzis terhels I-U jelleggrbjnek egyenlete a kvetkezkppen rhat fel:U=Uo+IRbAz brbl lthat, hogy az illeszts csaknem tkletes. Ez azt jelenti, hogy megfelel mretezssel a rendszer a maximlis teljestmny ponthoz kzel mkdik nmagban.

U=Uo+IRbAhol Uo s Rb az elektrolit bels feszltsge s ellenllsa.Adott rtkekre lett felrajzolva az bra, a napelem jelleggrbivel egytt. (Uo=90V; Rb=3,45).Itt is rajzoljuk fel a teljestmnyeket s a kihasznlsi hatsfokot a sugrzs intenzitsnak fggvnyben.

36Egyenram szivattyhajts37Ezt a terhelstpust szles krben alkalmazzk fotoelektromos ramforrs esetn. Kt szivatty tpust hasznlhatnak: a volumetrikus- (kzel lland terhel nyomatk) s a centrifugl szivatty (kb. a fordulatszmmal ngyzetesen vltoz terhelnyomatk). A motor fordulatszm nyomatk jelleggrbje: M~I; w~U.

Az brbl ltszik az a szembetl klnbsg, hogy a centrifugl szivattyval a hajts mkdkpes kis sugrzsi intenzitsnl is, gy gyakorlatilag egsz nap mkdhet, mg az lland terhelnyomatk esetben csak nagyobb megvilgtsnl mkdkpes.

3738A Pmax vonaltl a terhelsek jelleggrbi messze vannak, fknt az Mt1 terhels. Ismt szemlletesebb kpet kapunk a teljestmny viszonyokrl a teljestmnyeket s a hatsfokot brzolva.Lthat, hogy a P(Mt2) grbe sokkal jobban kveti a Pmax grbt, mint a P(Mt1). gy a kihasznlsi hatsfok is nagyobb Mt2 terhels esetn.

385.5. Kltsgtakarkos, egyszer analg szablyoz39A napelem egy DC-DC talaktt (szaggatt) tpll (feszltsgnvel kapcsols), amire egy centrifugl szivattyt hajt kls gerjeszts egyenram motor kapcsoldik. A beavatkozs a DC-DC szaggat relatv bekapcsolsi viszonynak lltsval lehetsges (ISZM).A kltsgtakarkossg tbb tnyezben is megnyilvnul. A rendszer akkumultort nem tartalmaz,.A szablyozsi elv egyszer.

A kltsgtakarkossg tbb tnyezben is megnyilvnul. Egyrszt lthat, hogy a rendszer akkumultort nem tartalmaz, ami jelentsen cskkenti az beruhzsi s mkdtetsi kltsgeket. Ez azrt lehetsges, mert a rendszer ebbl a szempontbl nem kritikus terhelst tartalmaz: ha nincs fotoelektromos energia, a szivatty nem mkdik, de a vzigny a tartlyban trolt vzbl kielgthet. Msrszt a szablyozsi elv olyan egyszer, hogy annak megvalstsa analg szablyoz ramkrkkel is lehetsges.

3940Egyszeren belthat, hogy az optimlis ponthoz tartoz ram (Iopt) kzel linerisan vltozik a sugrzs intenzitsval. Ez azt jelenti, hogy a sugrzsi intenzitssal egyenes arnyban lv fotoelektromos ramhoz a maximlis teljestmnyt biztost Iopt optimlis ram egyszer mdon kiszmolhat s egyszer analg szablyozval kiknyszerthet.

Klnfle fotoelektromos ramokra (If) a maximlis teljestmny ponthoz tartoz ram brzolhat a fotoelektromos ram fggvnyben.A fotoelektromos ram visszacsatolt jele egy csak mrsi clra hasznlt ugyanolyan s ugyangy megvilgtott napelem ramnak mrsvel ll el.

405.6. Aszinkron motoros szivatty hajts41Ez is egy vz szivatty hajts, de a szivattyt egy vltakoz ram motor, egy aszinkron motor hajtja. Az aszinkron motor egy inverteren keresztl kapcsoldik kzvetlenl a napelemekre.

A szivatty tpusa szerint egy centrifugl szivatty, amelynek nyomatka a fordulatszmmal kzel ngyzetesen n, ezrt teljestmnyignye a fordulatszm kbvel arnyos. gy a teljestmny lltsi lehetsge a maximlis teljestmnyre szablyozsnl a motor fordulatszmnak vltoztatsa. Ez inverteres tplls esetn a frekvencia vltoztatsval trtnhet. A hajtsi feladat s a maximlis teljestmnyre val szablyozs gy ugyanazzal az eszkzzel, az inverterrel valsthat meg. Nem kell egy DC-DC talakt az egyenfeszltsget szolgltat fotoelektromos ramforrs kimenetre az egyenrtk egyenkri ellenlls vltoztatsra (ami szksges akkumultoros mkds esetn az akkumultor illesztse s tltse cljbl). Ennek elhagysa a kltsgeket cskkenti. Burkoltan a maximlis teljestmnyre szablyozs beavatkozsi mdja itt is impedancia illesztsnek foghat fel. Az aszinkron motor terhelsi llapottl fggen vltoz szlippel mkdik. Az aszinkron motor helyettest vzlatnak megfelelen ez vltoz impedancit eredmnyez a kapcsain. Ez a vltoz vltakozram impedancia a napelem kapcsain egy egyenrtk vltoz egyen impedancit eredmnyez.

4142A maximlis teljestmnyre szablyozs itt keressi mdszerrel trtnik, szmolva az egyenkri teljestmnyt. A keress kezdetnek megllaptsra kzelt becslt frekvencia rtket szmol a kvetkez felttelezsek s elhanyagolsok alkalmazsval:A maximlis teljestmny ponthoz tartoz optimlis feszltsg j kzeltssel lland: Uopt=ll. s ismert.A szivatty mechanikai teljestmnye kzeltleg a frekvencia kbvel arnyos.Az talaktsi folyamatban a mechanikai s a villamos vesztesgeket elhanyagoljuk.

4243A keressi algoritmus errl a becslt optimlis frekvencirl indthat. A keressi algoritmus egy lpsben a frekvencit f rtkkel megvltoztatja (nveli, vagy cskkenti, attl fggen, hogy az elz ciklusban teljestmny nvekeds vagy cskkens addott, figyelembe vve f elz eljelt is).

Az algoritmus: hill climbing (ms mennyisgekkel)

Ahhoz, hogy ennek a vltoztatsnak a hatst kirtkelhessk, a frekvencia vltoztats okozta tranziens folyamatnak le kell zajlania, ami mind a villamos (rvidebb), mind a mechanikai (hosszabb) tranziens tmenetet magban foglalja. Ez gy rhet el, hogy a teljestmny mintavtelezse nem a vltoztats utn kzvetlenl trtnik, hanem kzvetlenl a kvetkez vltoztats eltt. Ez azt jelenti, hogy a mintavteli id megvlasztsnl a tranziens folyamatok lezajlsra jellemz villamos s mechanikai idllandkat figyelembe kell venni.

435.7. Vltakozram hajtsok44Igyekeznek kivltani a bonyolult egyenram motort.Elnyei:Olcs motor. Egyszer, karbantartst alig ignyl, robusztus motor.Htrnyai:Kell egy DC-AC talakt (inverter) a motor tpllsra. Ez egyrszt nveli a kltsgeket, msrszt mg egy vesztesgforrs. A hajts hatsfoka kisebb, mint az egyenram motorok.Az inverter megfelel szablyozsval kell megfelel indt nyomatkot biztostani.Stabilitsi problmk.ltalnos elvek:Az alkalmazott DC-AC talakt szinte kizrlagosan feszltsginverter.Vezrlsi mdja lehet ngyszgvezrls vagy impulzusszlessg modulcis vezrls. Beavatkoz jele a kimen alapharmonikus frekvencia (s ISZM esetn feszltsg).

Fotoelektromos ramforrsrl napjainkban tlnyom rszt egyenram motorokat mkdtetnek.

Ezen a terleten is rvnyesl azonban az az ltalnos tendencia, hogy a bonyolult, drga, karbantarts-ignyes kommuttoros egyenram motorokat kivltsk vltakoz ram motorokkal, azok kzl is a kalicks forgrsz aszinkron motorral. Kell egy DC-AC talakt a napelem s a motor kz. Ez az talakt kpes a maximlis teljestmnyre szablyozst is vgezni.445.8. Fotoelektromos rendszer gazdasgossga45Esettanulmny:Egy kis (50Wp) teljestmny autonm, pl. nyaralt ellt rendszer kltsgeinek s megtrlsi idejnek vizsglata.Adatok: 90-es vek nagy-britanniai adataival (azta nmi cskkens, s tovbbi is vrhat).R

45Haszon46Csak hlzattl tvoli helyen rdemes installlni, ahol a hlzat kiptse is kltsges lenne!!Kltsgcskkents lehetsgei:Rendelkezsre lls nagyobb lehet jobban megvlasztott helysznnl.A ttelek ra cskkenhet a tmegesebb gyrts s alkalmazs esetn (prognzis:1Euro/Wp 2020-ra)Energia s krnyezet politika, llami tmogats.

46