A megújuló energetika villamos rendszerei (BMEVIVEM262) Veszprémi Károly, Hunyár Mátyás, Vajda István BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048 A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg
5. rész Fotoelektromos energiaforrások alkalmazása
A lehetőségek: A nap által a Földre eljuttatott teljesítmény elképesztő mértékű: a Földre a napból átlagosan kb. 1.2x1017W teljesítmény jut el. A megújuló energiák legtöbbjének forrása szintén a nap (vízenergia, szélenergia, hullámenergia, stb.) közvetett módon. A napenergia közvetlen hasznosításának két módja lehetséges: melegítés (elsősorban víz) és elektromos áram termelés. Mi az utóbbival foglalkozunk.
Történeti áttekintés, mérföldkövek Felfedezés: Edmund Becquerel francia fizikus. A szilárd fotovillamos anyagok kifejlesztése. Az első félvezető alapú napelem 1953-ban. Az első alkalmazás az űrtechnikában1958-ban. Szélesebbkörű földi alkalmazását a hetvenes évek olajválsága indította el. Napjainkban a fejlődés egyre gyorsuló. 2002-ben a világon üzembenlévő fotovillamos energiatermelő rendszerek teljesítménye 2000MWp volt. A gyártás évente legalább 20%-al nőtt az elmúlt években. A visszafogott becslések is nagy arányú fejlődést prognosztizálnak az elkövetkező évtizedekre. A történet 1839-ben kezdődött. Edmund Becquerel francia fizikus ekkor fedezte fel, hogy egy alkáli tartalmú folyadékba helyezett és napfénnyel megvilágított két fémlemez között villamos feszültségkülönbség keletkezik. Ezt hívjuk fotovillamos jelenségnek. Az elv megértését és így a jelenség továbbfejlesztését az anyagok elemi részeinek jobb megismerése támogatta. Ez a fejlődés vezetett a ma is használatos szilárd fotovillamos anyagok kifejlesztéséhez. Az első ilyen félvezető alapú napelemet 1953-ban Chapin, Fuller és Pearson alkotta meg. Ezután nem sokkal már alkalmazták is az űrtechnikában: a Vanguard 1. nevű műhold villamosenergia ellátására 1958-ban. Szélesebbkörű földi alkalmazását a hetvenes évek olajválsága indította el. Napjainkban a fejlődés egyre gyorsuló. 1991-ben 50MWp (Megawatt peak, Megawatt csúcs) összteljesítményű fotoelektromos modult gyártottak a világon.
Előnyök-hátrányok A fotovillamos energiatermelésnek számos előnye van: Nincsenek mozgó alkatrészek, ezért csendes, megbízható, nincs kopás. Működési és fenntartási költségei alacsonyak (nincs üzemanyag igény). Nem termel a Földet és légkörét szennyező anyagokat, hulladékot. Az energia ott termelhető, ahol elfogyasztják. Két hátrányát kell kiemelni: A telepítés tőkeigénye nagy. Általában akkor jelentkezik nagyobb energiaigény, amikor a sugárzás intenzitása kicsi. Ezek alapján lehet megtalálni a fotovillamos energiatermelés szóbajöhető területeit: Űrtechnika, ahol a fotoelektromos áramforrás költségigénye az egyéb költségek mellett nem túl jelentős és nincs túl sok választási lehetőség. A villamos hálózattól távolfekvő helyek (híradástechnikai berendezések, jelzőberendezések, mérőállomások, biztonsági berendezések, közlekedési alkalmazások, víz szivattyúk, stb).
5.1. A napelemek működése, villamos jellemzői, konstrukciós felépítése A napelemek, vagy fotovillamos elemek félvezető anyagból készülnek (szilícium). Napelem készíthető kristályos és amorf szilíciumból. A kristályos szilícium lehet egykristályos és polikristályos. A napelemek alapvető felépítése a félvezető elemekhez hasonló (p-n átmenet). A két réteg határán kialakuló p-n átmenet diódaként működne. Napelem úgy lesz belőle, ha a félvezetőt fény éri, és a fény energiája készteti a töltéshordozókat az energialépcső leküzdésére. A megfelelő energiájú fotonok elnyelése elektron-lyuk párokat hoz létre a félvezető mindkét rétegében. A kisebbségi töltéshordozók átvándorolnak a p-n átmeneten keresztül a másik rétegbe, ami áramot hoz létre, a napelem áramforrásként használható. A napelemek, vagy fotovillamos elemek félvezető anyagból készülnek. A félvezető anyag többféle lehet, de a leggyakrabban a szilíciumot alkalmazzák. Napelem készíthető kristályos és amorf szilíciumból. A kristályos szilícium napelemeknek is két formájuk van: az egykristályos és a polikristályos napelemek. Az egykristályos napelemek drágábbak, de a hatásfokuk is nagyobb. A napelemek alapvető felépítése a félvezető elemekhez hasonló. A működés alapja itt is a p-n átmenet. A szokásos diffúziós félvezető technológiai műveletekkel p típusú (pozitív töltésű többségi töltéshordozókat, lyukakat tartalmazó) és n típusú (negatív töltésű többségi töltéshordozókat, elektronokat tartalmazó) réteget alakítanak ki a tiszta félvezető anyag szennyezésével. A két réteg határán kialakuló p-n átmenet diódaként működne, amelyben az energialépcsőt a töltéshordozók a rákapcsolt megfelelő polaritású feszültség hatására képesek átlépni. Napelem úgy lesz belőle, ha a félvezetőt fény éri, és a fény energiája készteti a töltéshordozókat az energialépcső leküzdésére.
A napelemek villamos jellemzői A napelem helyettesítő kapcsolása ezek alapján felrajzolható Az If fotoelektromos áram, amelyet a megvilágítás hoz létre, egy áramgenerátorral reprezentálható, a félvezető p-n átmenete pedig egy vele párhuzamosan kapcsolt diódát alkot. Így az I kimenő áram a fotoelektromos If áram és az ID dióda áram különbségeként adódik: I=If-ID
Ismerve a dióda ID-U jelleggörbéjét, a napelem I-U jelleggörbéje felrajzolható egy adott If áramra, ami több tényezőtől is függ:
Alapvető villamos jellemzők Uü üresjárási feszültség (I=0). Irz rövidzárási áram (U=0). Maximális leadott teljesítmény Pmax. A napelem jellemzésére bevezetnek egy kitöltési tényezőt (K), amivel a maximális teljesítmény az üresjárási feszültségből és rövidzárási áramból kiszámolható: Pmax=KUüIrz A napelemek és napelem modulok névleges teljesítményét Wp- ben (Watt peak, Watt csúcs) adják meg. Ez az a maximális teljesítmény érték, amit szabványos körülmények között (lásd a hatásfoknál) szolgáltat. Uü üresjárási feszültség (I=0). Szilícium napelemek szokásos üresjárási feszültsége 0,55-0,65V. Üresjárásban a fény által generált áram teljes egészében a diódán keresztül folyik. Irz rövidzárási áram (U=0). Értéke több tényezőtől is függ. (lásd később). Maximális leadott teljesítmény Pmax. P=UI, azaz a maximális teljesítménynek megfelelő pontot grafikusan a jelleggörbén a maximális területű U, I oldalú téglalap megkeresésével határozhatjuk meg. A napelem jellemzésére bevezetnek egy kitöltési tényezőt (K), amivel a maximális teljesítmény az üresjárási feszültségből és rövidzárási áramból kiszámolható: Pmax=KUüIrz
Hatásfok A napelemek hatásfokát jól definiált szabványos körülmények között a napelem által szolgáltatott maximális teljesítmény Pmax és az őt ért sugárzás teljesítményének hányadosával definiálják. A leggyakrabban használt szabványos körülmények a következők: A napsugárzás területegységre eső teljesítménye: 100mW/cm2=1kW/m2. A levegőben megtett út hatása a napsugárzás beesési szögének függvényében (levegő tömeg Air Mass; AM=1 merőleges, AM=0 űrbeli alkalmazás, ld. ábra), ennek szabványos értéke: AM=1,5 A napelem hőmérséklete: 25°C
Többrétegű napelemekkel már 30% feletti hatásfokot is mértek. Napjainkban a megfelelően kialakított egykristályos napelemek hatásfoka 15-17% körüli. Az egyszerűbben előállítható és így olcsóbb polikristályos szilícium napelemek hatásfoka kisebb, 13% körüli. Az amorf szilíciumból előállított napelemek még olcsóbban állíthatók elő, hatásfokuk azonban jóval kisebb (6%). Laboratóriumi körülmények között 22%-os hatásfokú szilícium napelemek is készültek. Többrétegű napelemekkel már 30% feletti hatásfokot is mértek. Az amorf szilíciumból előállított napelemek még olcsóbban állíthatók elő, hatásfokuk azonban jóval kisebb (6%). Ezeket elsősorban kisebb energiaigényű eszközökben, mint például órákban, zsebszámológépekben alkalmazzák. Többrétegű napelemekkel már 30% feletti hatásfokot is mértek. Az egyrétegű napelemekkel elvileg elérhető hatásfok 27% körüli. Többrétegű napelemekkel akár 60% feletti hatásfok is elérhető egyes kutatók szerint.
Veszteségek Alapveszteségek: Hő disszipáció. A fénynek csak bizonyos spektrumát használja fel a napelem. Rekombináció: Újra egyesülés. Fény veszteségek: A sugárzás egy része nem éri el a félvezetőt. Alapveszteségek: Egyrészt a foton által végzett töltéshordozó generálás hő disszipációt is okoz. Másrészt a félvezető csak azokat a fotonokat képes elnyelni, amelyek megfelelő energiával rendelkeznek az energialépcső áthidalásához. Ez azt jelenti, hogy a fénynek csak bizonyos spektrumát használja fel a napelem. a többrétegű napelemek. Rekombináció: A rekombináció a töltéshordozó szétválasztás ellentétes folyamata: újra egyesülés. Kiküszöbölésére konstrukciós megoldások születtek. Fény veszteségek: A sugárzás egy része nem éri el a félvezetőt: visszaverődés, a felső kontaktusok árnyékoló hatása és a fényelnyelés nem tökéletes volta. Csökkentése konstrukciós eszközökkel lehetséges.
A villamos jellemzőket befolyásoló tényezők A hőmérséklet hatása: A hőmérséklet változás leginkább a napelem feszültségét befolyásolja: növekvő hőmérséklettel csökken. A sugárzás intenzitásának hatása: A napelem működéséből következik, hogy ha minél nagyobb a sugárzás intenzitása, annál nagyobb a generált töltéshordozók száma, és így nagyobb a napelem árama. A napelem rövidzárási árama egyenesen arányos a sugárzás intenzitásával. A hőmérséklet hatása: A hőmérséklet változás leginkább a napelem feszültségét befolyásolja: növekvő hőmérséklettel csökken. A szilícium napelem hőmérsékleti együtthatója negatív, tipikusan ‑2.3mV/°C. Az áram és a kitöltési tényező kevésbé függnek a hőmérséklettől, és változásuk elhanyagolható. A sugárzás intenzitásának hatása: A napelem működéséből következik, hogy ha minél nagyobb a sugárzás intenzitása, annál nagyobb a generált töltéshordozók száma, és így nagyobb a napelem árama. A napelem rövidzárási árama egyenesen arányos a sugárzás intenzitásával. A feszültség változása sokkal kisebb és a gyakorlatban elhanyagolható.
Soros ellenállás hatása. A napelem áramának elvezetése óhatatlanul Joule hő- veszteséget okoz. Mint látható, a soros ellenállás főként a kitöltési tényező csökkentésén keresztül hat a napelem jellemzőire.
A napelem konstrukciós felépítése A kristályos szilícium napelemek szokásos alakja vagy kör, vagy négyzet, kb. 100mm-es méretekkel. A napelem lapka szokásos felépítése az ábrán látható. A félvezető rétegektől az áramot a kontaktusok viszik el. A megvilágítás oldali kontaktust minél kevésbé árnyékolóvá kell készíteni. A szilícium lapka felső oldalát bevonják visszaverődést csökkentő réteggel. A kristályos szilícium napelemek szokásos alakja vagy kör, vagy négyzet, kb. 100mm-es méretekkel. Egy ilyen napelem 3A körüli áramot és 0,5V körüli feszültséget szolgáltat. A napelem lapka szokásos felépítése az ábrán látható. A félvezető rétegektől az áramot a kontaktusok viszik el. A megvilágítás oldali kontaktust minél kevésbé árnyékolóvá kell készíteni. Ezt általában fémből készült vékony elemeket tartalmazó rácsként készítik, amelyek áramát aztán vastagabb vezetékek gyűjtik össze.
5.2. Fotoelektromos rendszerek felépítése A fotoelektromos rendszerek legáltalánosabb osztályozása a villamos szolgáltató hálózatra való csatlakozása vagy attól független működése alapján lehetséges: Ez alapján lehet autonóm vagy hálózatra kapcsolt a rendszer. A hálózatra kapcsolt üzem egyik formájában a hálózat csak segéd táplálást nyújt. A másik formában a fotoelektromos rendszer terhelés által el nem fogyasztott többlet energiáját visszatáplálja a hálózatba. Nem a napelemek az egyetlen összetevői egy fotoelektromos rendszernek: Energiatároló Áramirányitó Szabályozó Hálózatra táplálás szélsőséges esete a fotoelektromos erőmű, amely a teljes termelt energiát a hálózatba táplálja. Nem a napelemek az egyetlen összetevői egy fotoelektromos rendszernek: Legtöbbször egy fotoelektromos rendszer tartalmaz energia tárolót, ami éjjel és nem megfelelő időjárási viszonyok esetén szolgáltatja az energiát. A napelemek egyenáramot szolgáltatnak. A legtöbb berendezés váltakozó áramot igényel, ezért áramirányítóra is szükség van. Egyéb szabályozások is szükségesek, hogy a napenergia átalakítás sztochasztikus változásaiból a fogyasztó minél kevesebbet érzékeljen.
A fotoelektromos generátor Ez az egység végzi a fényenergia átalakítását elektromos energiává. Egy napelem feszültsége és teljesítménye nem elegendő a fogyasztó vagy az energiatároló táplálásához, több napelem összekapcsolására van szükség, napelem modullá. Megjegyzések: A hőmérséklet változás hatása abszolút értékben felerősödik több napelem soros kapcsolásával. A sugárzás intenzitásának hatása szintén felerősödik több napelem párhuzamos kapcsolása esetén. Ez a modul rövidzárási áramára hat elsősorban. Soros kapcsolás esetén, ha valamelyik napelem nem termel áramot (pl. árnyékban van), akkor ő egy záróirányban igénybevett diódának (közel szakadásnak) tekinthető a többi számára, veszteségi energiát disszipálva. E jelenség kiküszöbölésére párhuzamos (by-pass) diódákat alkalmazhatunk. Éjjel, megvilágítás nélkül, a napelemek szintén diódaként viselkednek. Szivárgási áramuk az energiatároló akkumulátor kisütését eredményezheti. Ezért a soros ágakba megfelelő irányban záró diódát iktathatnak be. Ez nappal feszültség esést és veszteséget okoz.
Teljesítmény átalakító és szabályozó Ez teremti meg a kapcsolatot a fotoelektromos generátor és a többi egység között. Az energiatároló akkumulátor felé a megfelelő mértékű töltésről és a túlzott mértékű kisütés elkerüléséről kell gondoskodnia. A fogyasztó felé pedig a megfelelő nagyságú és áramnemű feszültség és teljesítmény biztosítása a feladata. A speciális, napelemes tápláláshoz használt teljesítményelektronikai eszközökkel szembeni követelményeket elsősorban az energetikai megfontolások (kevés veszteség, jó hatásfok) és gazdaságossági követelmények (egyszerű, kevés elemből álló, olcsó, megbízható) határozzák meg: A teljesítmény kapcsolóknak kis vezető irányú feszültségesése legyen. (Schottky diódák, nagymértékben telített bipoláris tranzisztorok, párhuzamos kapcsolás). Minél kevesebb teljesítménykapcsolót tartalmazzon. A különféle feladatokat lehetőség szerint ugyanaz a berendezés lássa el. Minél kisebb vezérlési teljesítményre legyen szükség. Impulzusszélesség moduláció esetén a minél kisebb kapcsolási veszteségek végett a nagy kapcsolási frekvenciák nem megengedettek. Ha szükséges alkalmazni, a snubber kis veszteségű, vagy visszatápláló legyen.
Energiatárolás Mivel a napelem által termelt energia időben szélsőséges mértékben változik a körülményeknek megfelelően és a legtöbb esetben nem azonnal kerül felhasználásra, fotovillamos áramforrások esetén energiatárolóra van szükség (ENERGIA EGYENSÚLY). Hálózatra kapcsolt rendszer esetén az energiatárolás megoldott, maga a hálózat képes felvenni az energiát. A hálózattól függetlenül működő, autonóm, önálló fotovillamos áramforrás esetén meg kell oldani az energiatárolás módját. Az energiatárolásról külön lesz szó, itt csak összefoglalás szintjén kerül elő, részletesebben az akkumulátoros energiatárolás speciális kérdéseivel foglalkozunk fotovillamos rendszerekben:
Összefoglaló
5.3. Akkumulátorok fotovillamos rendszerben Fotovillamos rendszerben az akkumulátorok speciális, nem szokásos körülmények között működnek élettartam, a rendszer hatásfoka. Az akkumulátorban alapvetően két folyamat zajlik: a töltés és a kisütés, ciklikusan: A napi ciklus alatt az akkumulátor nappal töltődik, majd az éjszakai terhelés során kisül. Az időjárási ciklust a változó időjárási körülmények (a napsugárzás változása az időjárással) okozzák. Ez a ciklus fellép minden olyan esetben, amikor a napi terhelés meghaladja az átlagosan szolgáltatott fotovillamos energia mennyiségét. A szezonális ciklus az évszakok ciklikus változása miatt alakul ki, ha az akkumulátor szezonális tárolóként működik. Ekkor az időjárási ciklus az évszak nagy részét átfogja.
Az akkumulátorok legfontosabb jellemzői fotoelektromos rendszerben Ezek általában az ilyen rendszerekben fellépő különleges, szélsőségesnek is tekinthető üzemi körülményekből következnek. Ez a szélsőséges körülmény legtöbbször arra vezethető vissza, hogy nincs meg az energia egyensúly a fotoelektromos áramforrás és a fogyasztó között. Ez motiválja azt az igényt, hogy tűrje el az akkumulátor a szélsőséges töltési körülményeket, jó hatásfoka legyen, hogy minél több energiát ki lehessen venni belőle. A szélsőséges töltési körülmények tűrésének képessége. Töltés-kisütési energetikai hatásfok. Működési hőmérséklet tartomány. Karbantartás igény. Az akkumulátor ára, élettartama. A szélsőséges töltési körülmények tűrésének képessége. Ezeket túltöltésnek és mélykisülésnek nevezik. A túlzott kisülés elkerülésére bevezetik a kisülési mélység határát megadó értéket: a kivehető töltésmennyiség a névleges töltésmennyiségre vonatkoztatva: PDmax30%..60%. Töltés-kisütési energetikai hatásfok. A töltéskor bevitt energiának hány százaléka nyerhető vissza a kisütés során. Működési hőmérséklet tartomány. Fotovillamos alkalmazásnál szélsőséges hőmérsékleti viszonyok fordulhatnak elő. Karbantartás igény. Léteznek "karbantartás mentes" ill. "csekély karbantartás igényű" akkumulátorok, de azok drágábbak és kevésbé tűrik a magas hőmérsékletet. A fotovillamos rendszerek gyakran távol vannak a szervizelés helyétől, ezért gyakran nem hozzáértő emberek kezelik az akkumulátorokat. Az akkumulátor ára, élettartama.
Savas ólomakkumulátorok Fotovillamos rendszerekben energiatárolási célra legáltalánosabban savas ólomakkumulátorokat használnak elsősorban hozzáférhetőségük és költséghatékonyságuk miatt. Gépjármű indító akkumulátorok triviális választásnak tűnnek, de: Rövid ideig nagy teljesítménycsúcs leadására képes. Tömeggyártmány. Viszonylag rövid az élettartamuk. A fotovillamos rendszerek terjedésével a gyártók felismerve ennek jelentőségét, a hagyományos gépjárműindító akkumulátorok csekély módosításával "szoláris" akkumulátort is gyártanak és forgalmaznak, vastagabb lemezekkel, több és hígabb elektrolittal. Ezt módosított gépjárműindító akkumulátornak nevezzük. Gépjármű indító akkumulátorok triviális választásnak tűnnek, de: Rövid ideig nagy teljesítménycsúcs leadására képes. Lemezei vékonyak, felületük nagy, kevéssé alkalmas kis áramerősségek hosszantartó szolgáltatására két időben viszonylag távoli töltés között. Pedig napelemes alkalmazásokban erre lenne szükség, ezért nagyobb kapacitás beépítése szükséges (PDmax0,1). Tömeggyártmány, ezért olcsó, újrafelhasználása megoldott (környezetvédelem). Viszonylag rövid az élettartamuk. Napelemes alkalmazásban a lemezek korrózióját csökkenteni és így az élettartamot növelni kisebb sűrűségű elektrolittal lehet. Ezzel a belső ellenállása nő, de ez napelemes alkalmazásban nem jelent gondot, mivel ekkor a töltő és kisütő áramok jóval kisebbek, mint hagyományos felhasználása esetén.
A kisütési sebesség hatása Fotovillamos rendszerben lényeges kihangsúlyozni a kisütési sebesség hatását az akkumulátor kapacitására. A savas ólomakkumulátor feszültségének tipikus viselkedése látható az ábrán, kétféle kisütési sebességre. Látható, hogy az akkumulátor kapacitása jelentősen csökken gyors kisütés esetén. A savas ólomakkumulátor feszültségének tipikus viselkedése látható az ábrán, kétféle kisütési sebességre. Látható, hogy az akkumulátor kapacitása jelentősen csökken gyors kisütés esetén. Ezt a fotovillamos rendszer tervezésénél figyelembe kell venni, hiszen az jelentősen eltérő körülmények között működhet az akkumulátor specifikációjához képest. Pl. egy akkumulátor, amelynek névleges kapacitása 10 órás kisütési sebességre van megadva, a fotovillamos rendszerben tipikusabb 100 órás kisütési sebesség esetén jelentősen nagyobb kapacitást mutathat.
Töltésszabályozó A káros folyamatok elkerülésének feltételei közül néhány egymásnak ellentmondó. A töltésszabályozó elsődleges feladata az akkumulátor megvédése a túltöltéstől és a túlzott kisütéstől. Szintén feladata megvédeni a fogyasztót az extrém üzemállapotoktól. Egyszerű feszültségvezérelt töltésszabályozót használnak. Mélykisütés elleni védelemmel Túltöltés megakadályozással A káros folyamatok elkerülésének feltételei közül néhány egymásnak ellentmondó. Például magas töltési feszültség kell a teljes feltöltéshez, ugyanakkor ez korróziót és vízveszteséget okoz. Így a töltésszabályozó beállítása kompromisszumokon alapul. A töltésszabályozó elsődleges feladata az akkumulátor megvédése a túltöltéstől és a túlzott kisütéstől. Szintén feladata megvédeni a fogyasztót az extrém üzemállapotoktól. A feladatok teljesítését az akkumulátor feltöltöttség állapota alapján lehet tökéletesen elvégezni. Az ezen alapuló berendezések bonyolultak és drágák, ezért napelemes rendszerekben elsősorban egyszerű feszültségvezérelt töltésszabályozót használnak. A mélykisütés elleni védelem azon alapszik, hogy a terhelést megszünteti, ha az akkumulátor feszültsége egy küszöbérték alá kerül. Ezt az értéket "terhelés lekapcsolási" feszültségnek nevezik. Visszakapcsolás egy ennél magasabb un. "terhelés visszakapcsolási" feszültségszint elérésekor lehetséges. A túltöltés megakadályozásához meg kell szüntetni a töltőáramot, ha az akkumulátor feszültsége meghalad egy "töltési végfeszültségnek" nevezett értéket. A töltést akkor szabad folytatni, ha a feszültség leesik egy "visszaállítási érték" alá. A műszaki kritériumokat itt is kompromisszumokkal lehet többé-kevésbé összehangolni.
A vezérlési elv is kétféle lehet: Alapvetően a töltésszabályozónak kétféle típusa van attól függően, hogy a kapcsoló hol helyezkedik el. A "soros" típusú töltésszabályozó beavatkozásakor megszakítja a napelem és az akkumulátor közti kapcsolatot, a "sönt" típusú pedig rövidre zárja a napelemeket. Az elsőt a nagyobb, a másodikat a kisebb teljesítményű alkalmazásokban használják. A vezérlési elv is kétféle lehet: a "kétlépcsős" vezérlésnél a töltési végfeszültség elérésekor a töltőáram teljesen megszűnik, míg az impulzusszélesség modulációs vezérlésnél fokozatosan csökken és így a feszültség állandó marad. A terhelést tápláló teljesítményelektronikai egység elláthatja a töltésszabályozó szerepét is.
Önszabályozott akkumulátor töltés Kis rendszerekben a fotoelektromos generátor, záró dióda, akkumulátor kapcsolás elegendő lehet a töltésszabályozás önműködő megvalósítására, ha a fotoelektromos generátor működési pontját az akkumulátor töltés igényeinek megfelelően állítjuk be. Az akkumulátor feszültsége egy minimális (megengedhető kisütött állapot) és egy maximális (teljes) töltöttség közé kell hogy essen. Ha a fotoelektromos generátor működési feszültségét e sáv felső szélére állítjuk (I-U jelleggörbe könyökpontja), kis mértékű akkumulátor feszültség emelkedés ugrásszerűen lecsökkenti a töltőáramot, automatikusan megakadályozva a túltöltést
5.4. Maximális teljesítményre szabályozás (MTSZ) A napelem I-U jelleggörbéjének megfelelően van egy olyan pont, ahol a napelem a lehetséges maximális teljesítményt adja le. Ez sajnos nem automatikusan áll elő. A napelem és a hozzá kapcsolódó terhelés munkapontját jelleggörbéik metszéspontja határozza meg. A maximális teljesítményű munkapontot több tényező is befolyásolja. A terhelés részéről A napelem részéről A maximális teljesítményű munkapontot több tényező is befolyásolja. Ezek a napelem vagy a terhelés jelleggörbéjének változására vezethetők vissza: A terhelés részéről: Ha változik a teljesítmény igénye, másik munkapontban fog működni. Ha változnak a terhelés paraméterei (pl. a motorok ellenállása). A napelem részéről mint láttuk két tényező befolyásolja az I-U jelleggörbét: A megvilágítás amely szélsőséges mértékben változhat mind a napi ciklusnak (nappal-éjjel, nap beesési szög) mind a klimatikus ciklusnak (időjárási viszonyok) mind a szezonális ciklusnak megfelelően. A megvilágítás változása okozza a napelem jelleggörbéjének jelentős változását. Uopt közel független a megvilágítás intenzitásától, a Pmax-U görbe jó közelítéssel függőleges A hőmérséklet ami a környezeti körülményektől függ. Ez a kevésbé jelentős változás.
Ha azt akarjuk, hogy fotoelektromos áramforrás mindig a maximális teljesítményű pontjában dolgozzon, akkor erről mesterségesen kell gondoskodni. Ez az esetek többségében csak akkor tehető meg, ha a rendszer tartalmaz energiatárolási lehetőséget (pl. akkumulátor) a maximális teljesítményre szabályozás rendszerfüggő
Ez alapján Pmax-G közel lineáris: A további megfontolásokhoz célszerű a napelem I-U jelleggörbéjét analitikusan is felírni: U= c 1 ln I f −I+ I r I r − R s I Ez alapján Pmax-G közel lineáris:
MTSZ megvalósítási elv A maximális teljesítményre szabályozás bármely megvalósítása alapvetően visszavezethető egy impedancia illesztés megvalósítására. Ez az érték változik és változtatható különféle módokon. Az ábra ohmos terhelésre van. A maximális teljesítményre szabályozás például egy DC/DC átalakítót alkalmazhat ebben az egyszerű esetben, amely a terhelés feszültségét Uo-ról U R = P max R értékre növeli, a terhelés a 2. jelű pontban, a fotoelektromos generátor pedig a maximális teljesítményű pontban működik. A maximális teljesítményre szabályozás bármely megvalósítása alapvetően visszavezethető egy impedancia illesztés megvalósítására. Bármely terhelés a napelem kimenő kapcsai felől nézve helyettesíthető egy egyenértékű egyen impedanciával (ellenállással). Ez az érték változik és változtatható különféle módokon az egyes esetekben (pl. a terheléssel), és ez teszi lehetővé a maximális teljesítményre szabályozást. Ennek elvi bemutatására rajzoltuk fel az ábrát, ahol ohmos terhelést feltételezve ábrázoltuk a fotoelektromos generátor és a terhelés I-U jelleggörbéit valamint állandó teljesítményű P=UI=áll. görbéket. Látható, hogy a közvetlen táplálásnak megfelelő 1. jelű munkapontban a teljesítmény és a feszültség is jóval kevesebb, mint a maximális teljesítményű pontban. A maximális teljesítményre szabályozás például egy DC/DC átalakítót alkalmazhat ebben az egyszerű esetben, amely a terhelés feszültségét Uo-ról felnöveli, a terhelés a 2. jelű pontban, a fotoelektromos generátor pedig a maximális teljesítményű pontban működik.
A terhelés típusok összehasonlítása Pmax közelítése szempontjából A napelem-terhelés rendszer esetén a napelem által leadott munkaponti teljesítményt a napelem és a terhelés együttesen határozza meg. Előfordulhat, hogy megfelelő méretezés esetén a terhelés olyan, hogy a rendszer legtöbbször közel működik az optimális munkaponthoz, nincs szükség maximális teljesítményre szabályozásra. A vizsgált terheléstípusok: Ohmos terhelés. Akkumulátor terhelés. Víz elektrolízis (lásd hidrogén termelés). Egyenáramú motor, amely kétféle szivattyút hajt: volumetrikus (fordulatszámtól függően kb. állandó terhelőnyomatékot jelent), centrifugál (ekkor a terhelőnyomaték kb. négyzetesen függ a fordulatszámtól).
Ohmos terhelés Az ohmos terhelés I-U jelleggörbéje a következő egyszerű összefüggéssel írható le: U=IR R=13
A még érzékletesebb jellemzésre érdemes bevezetni egy kihasználási hatásfokot, ami az adott sugárzási intenzitásnak megfelelő teljesítmények hányadosával definiálható: G=100P/Pmax Látszik, hogy ennél a terhelés típusnál jelentős eltérések vannak, kell szabályozás (impedancia illesztés).
Akkumulátor terhelés Ez az az eset, amikor az akkumulátor egyedül csatlakozik a napelemhez. Ez a működés a terhelés lekapcsolásakor áll elő. Az akkumulátor Uak feszültsége a működés során egy minimális és egy maximális érték között változhat, amelyek a kisütött és a feltöltött állapotoknak felelnek meg. Az akkumulátor I-U jelleggörbéje a következő egyenlettel jellemezhető: U=Uak-IRb Megfelelő méretezésével jó illesztést tudunk megvalósítani U=Uak-IRb Ahol Uak az akkumulátor belső feszültsége, Rb pedig a belső ellenállása. Ha a kis értékű belső ellenállást elhanyagoljuk, a jelleggörbe U=Uak állandó feszültségre egyszerűsödik. A minimális 115V és a maximális 135V-nak megfelelő görbék (P(115) és P(135)) lettek felrajzolva és hasonlíthatók össze a maximális teljesítmény görbéjével.
Víz elektrolízis Az elektrolízis terhelés I-U jelleggörbéjének egyenlete a következőképpen írható fel: U=Uo+IRb Az ábrából látható, hogy az illesztés csaknem tökéletes. Ez azt jelenti, hogy megfelelő méretezéssel a rendszer a maximális teljesítményű ponthoz közel működik önmagában. U=Uo+IRb Ahol Uo és Rb az elektrolit belső feszültsége és ellenállása. Adott értékekre lett felrajzolva az ábra, a napelem jelleggörbéivel együtt. (Uo=90V; Rb=3,45). Itt is rajzoljuk fel a teljesítményeket és a kihasználási hatásfokot a sugárzás intenzitásának függvényében.
Egyenáramú szivattyúhajtás Ezt a terheléstípust széles körben alkalmazzák fotoelektromos áramforrás esetén. Két szivattyú típust használhatnak: a volumetrikus- (közel állandó terhelő nyomatékú) és a centrifugál szivattyú (kb. a fordulatszámmal négyzetesen változó terhelőnyomatékú). A motor fordulatszám nyomaték jelleggörbéje: M~I; w~U. Az ábrából látszik az a szembeötlő különbség, hogy a centrifugál szivattyúval a hajtás működőképes kis sugárzási intenzitásánál is, így gyakorlatilag egész nap működhet, míg az állandó terhelőnyomatékú esetben csak nagyobb megvilágításnál működőképes.
A Pmax vonaltól a terhelések jelleggörbéi messze vannak, főként az Mt1 terhelésé. Ismét szemléletesebb képet kapunk a teljesítmény viszonyokról a teljesítményeket és a hatásfokot ábrázolva. Látható, hogy a P(Mt2) görbe sokkal jobban követi a Pmax görbét, mint a P(Mt1). Így a kihasználási hatásfok is nagyobb Mt2 terhelés esetén.
5.5. Költségtakarékos, egyszerű analóg szabályozó A napelem egy DC-DC átalakítót (szaggatót) táplál (feszültségnövelő kapcsolás), amire egy centrifugál szivattyút hajtó külső gerjesztésű egyenáramú motor kapcsolódik. A beavatkozás a DC-DC szaggató relatív bekapcsolási viszonyának állításával lehetséges (ISZM). A költségtakarékosság több tényezőben is megnyilvánul. A rendszer akkumulátort nem tartalmaz,. A szabályozási elv egyszerű. A költségtakarékosság több tényezőben is megnyilvánul. Egyrészt látható, hogy a rendszer akkumulátort nem tartalmaz, ami jelentősen csökkenti az beruházási és működtetési költségeket. Ez azért lehetséges, mert a rendszer ebből a szempontból nem kritikus terhelést tartalmaz: ha nincs fotoelektromos energia, a szivattyú nem működik, de a vízigény a tartályban tárolt vízből kielégíthető. Másrészt a szabályozási elv olyan egyszerű, hogy annak megvalósítása analóg szabályozó áramkörökkel is lehetséges.
Egyszerűen belátható, hogy az optimális ponthoz tartozó áram (Iopt) közel lineárisan változik a sugárzás intenzitásával. Ez azt jelenti, hogy a sugárzási intenzitással egyenes arányban lévő fotoelektromos áramhoz a maximális teljesítményt biztosító Iopt optimális áram egyszerű módon kiszámolható és egyszerű analóg szabályozóval kikényszeríthető. Különféle fotoelektromos áramokra (If) a maximális teljesítményű ponthoz tartozó áram ábrázolható a fotoelektromos áram függvényében. A fotoelektromos áram visszacsatolt jele egy csak mérési célra használt ugyanolyan és ugyanúgy megvilágított napelem áramának mérésével áll elő.
5.6. Aszinkron motoros szivattyú hajtás Ez is egy víz szivattyú hajtás, de a szivattyút egy váltakozó áramú motor, egy aszinkron motor hajtja. Az aszinkron motor egy inverteren keresztül kapcsolódik közvetlenül a napelemekre. A szivattyú típusa szerint egy centrifugál szivattyú, amelynek nyomatéka a fordulatszámmal közel négyzetesen nő, ezért teljesítményigénye a fordulatszám köbével arányos. Így a teljesítmény állítási lehetősége a maximális teljesítményre szabályozásnál a motor fordulatszámának változtatása. Ez inverteres táplálás esetén a frekvencia változtatásával történhet. A hajtási feladat és a maximális teljesítményre való szabályozás így ugyanazzal az eszközzel, az inverterrel valósítható meg. Nem kell egy DC-DC átalakító az egyenfeszültséget szolgáltató fotoelektromos áramforrás kimenetére az egyenértékű egyenköri ellenállás változtatására (ami szükséges akkumulátoros működés esetén az akkumulátor illesztése és töltése céljából). Ennek elhagyása a költségeket csökkenti. Burkoltan a maximális teljesítményre szabályozás beavatkozási módja itt is impedancia illesztésnek fogható fel. Az aszinkron motor terhelési állapotától függően változó szlippel működik. Az aszinkron motor helyettesítő vázlatának megfelelően ez változó impedanciát eredményez a kapcsain. Ez a változó váltakozóáramú impedancia a napelem kapcsain egy egyenértékű változó egyen impedanciát eredményez.
A maximális teljesítményre szabályozás itt keresési módszerrel történik, számolva az egyenköri teljesítményt. A keresés kezdetének megállapítására közelítő becsült frekvencia értéket számol a következő feltételezések és elhanyagolások alkalmazásával: A maximális teljesítményű ponthoz tartozó optimális feszültség jó közelítéssel állandó: Uopt=áll. és ismert. A szivattyú mechanikai teljesítménye közelítőleg a frekvencia köbével arányos. Az átalakítási folyamatban a mechanikai és a villamos veszteségeket elhanyagoljuk. Ezen feltételezések felhasználásával a következő képletek írhatók fel a fotoelektromos áramforrás és a szivattyú teljesítményeire: P~Kf3 P~UoptIf Az optimális feszültséget állandónak és ismertnek feltételezve a fenti két összefüggés jobboldalának egyenlővé tételével kiadódik, hogy a maximális teljesítményű pontban a frekvencia közelítő értéke a napelem fotoáramának köbgyökével arányos: f= f n I f I fn 1/3 Ahol: fn a névleges frekvencia. Ifn a napelem névleges rövidzárási árama, ami ismert. If a napelem tényleges fotoárama, ami mérendő
Az algoritmus: hill climbing (más mennyiségekkel) A keresési algoritmus erről a becsült optimális frekvenciáról indítható. A keresési algoritmus egy lépésében a frekvenciát Δf értékkel megváltoztatja (növeli, vagy csökkenti, attól függően, hogy az előző ciklusban teljesítmény növekedés vagy csökkenés adódott, figyelembe véve Δf előző előjelét is). Az algoritmus: hill climbing (más mennyiségekkel) Ahhoz, hogy ennek a változtatásnak a hatását kiértékelhessük, a frekvencia változtatás okozta tranziens folyamatnak le kell zajlania, ami mind a villamos (rövidebb), mind a mechanikai (hosszabb) tranziens átmenetet magában foglalja. Ez úgy érhető el, hogy a teljesítmény mintavételezése nem a változtatás után közvetlenül történik, hanem közvetlenül a következő változtatás előtt. Ez azt jelenti, hogy a mintavételi idő megválasztásánál a tranziens folyamatok lezajlására jellemző villamos és mechanikai időállandókat figyelembe kell venni.
5.7. Váltakozóáramú hajtások Igyekeznek kiváltani a bonyolult egyenáramú motort. Előnyei: Olcsó motor. Egyszerű, karbantartást alig igénylő, robusztus motor. Hátrányai: Kell egy DC-AC átalakító (inverter) a motor táplálására. Ez egyrészt növeli a költségeket, másrészt még egy veszteségforrás. A hajtás hatásfoka kisebb, mint az egyenáramú motoroké. Az inverter megfelelő szabályozásával kell megfelelő indító nyomatékot biztosítani. Stabilitási problémák. Általános elvek: Az alkalmazott DC-AC átalakító szinte kizárólagosan feszültséginverter. Vezérlési módja lehet négyszögvezérlés vagy impulzusszélesség modulációs vezérlés. Beavatkozó jele a kimenő alapharmonikus frekvencia (és ISZM esetén feszültség). Fotoelektromos áramforrásról napjainkban túlnyomó részt egyenáramú motorokat működtetnek. Ezen a területen is érvényesül azonban az az általános tendencia, hogy a bonyolult, drága, karbantartás-igényes kommutátoros egyenáramú motorokat kiváltsák váltakozó áramú motorokkal, azok közül is a kalickás forgórészű aszinkron motorral. Kell egy DC-AC átalakító a napelem és a motor közé. Ez az átalakító képes a maximális teljesítményre szabályozást is végezni.
5.8. Fotoelektromos rendszer gazdaságossága Esettanulmány: Egy kis (50Wp) teljesítményű autonóm, pl. nyaralót ellátó rendszer költségeinek és megtérülési idejének vizsgálata. Adatok: 90-es évek nagy-britanniai adataival (azóta némi csökkenés, és további is várható). ÁR
Költségcsökkentés lehetőségei: Haszon Csak hálózattól távoli helyen érdemes installálni, ahol a hálózat kiépítése is költséges lenne!! Költségcsökkentés lehetőségei: Rendelkezésre állás nagyobb lehet jobban megválasztott helyszínnél. A tételek ára csökkenhet a tömegesebb gyártás és alkalmazás esetén (prognózis:1Euro/Wp 2020-ra) Energia és környezet politika, állami támogatás.