Fotoelektromos ermvek

Fotoelektromos ermvekA nap ltal a Fldre eljuttatott teljestmny elkpeszt mrtk: a Fldre a napbl tlagosan kb. (1.2 x 1017) W teljestmny jut el. Ez azt jelenti, hogy kevesebb, mint egy ra alatt a Fldre rkez napenergia az emberisg egsz ves energiaszksglett kielgten. Ez szmos formban elnyeldik s visszaverdik, kzvetve s kzvetlenl hasznosul. 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. Ebben a fejezetben az utbbival foglalkozunk.1839-ben Edmund Becquerel francia fizikus ekkor fedezte fel, hogy egy alkli tartalm folyadkba helyezett s napfnnyel megviIgtott 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 villamos energia elltsra 1958-ban. Szlesebb kr fldi alkalmazst a hetvenes vek olajvlsga indtotta el. Napjainkban a fejlds egyre gyorsul. 1991-ben 50 MWp(Megawatt peak, Megawatt cscs) sszteljestmnyfotoelektromos modult gyrtottak a vilgon. A gyrts vente legalbb 20%-al ntt az elmlt vekben. A visszafogott becslsek is nagy arny fejldst prognosztizlnak az elkvetkez vtizedekre.A fotovillamos energiatermelsnek szmos elnye van:- Nincsenek mozg .alkatrszek, ezrt csendes, megbzhat, nincs kops.- Mkdsi s fenntartsi kltsgei alacsonyak (nincs zemanyag igny).

- Mkdse kzben nem termel a Fldet s lgkrt szennyezanyagokat, hulladkot.

- Az energia ott termelhet, ahol elfogyasztjk.

Kt htrnyt kell kiemelni:- A telepts tkeignye nagy.- ltalban akkor jelentkezik nagyobb energiaigny, amikor a sugrzs intenzits kicsi.

Ezek alapjn lehet megtallni a fotovillamos energiatermels szba jhetterleteit:- rtechnika, ahol a fotoelektromos ramforrs 'kltsgignye az egyb kltsgek mellett nem tl jelents s nincs tl sok vlasztsi lehetsg.- A villamos hlzatti tvolfekv helyek (hradstechnikai berendezsek,jelzberendezsek, mrllomsok, biztonsgi berendezsek, kzlekedsi alkalmazsok, vz szivattyk, stb).

A fotovillamos energiatermels tervezsnl a fldrajzi adottsgokat is figyelembe kell venni. A napsugrzs beessi szge a fldrajzi elhelyezkedstl fgg s idben is vltozik napi s ves ciklus szerint. Kvetse lehetsges, de ez emeli a telepts kltsgeit s tbblet energit is ignyel. Ezek a tervezhet hatsok. Ezen kvl szablytalanul, az idjrsi krlmnyek is befolysoljk a Fldre eljut sugrzs intenzitst.

A napelemek mkdse, villamos jellemzi, konstrukcisfelptse

A napelemek, vagy fotovillamos elemek flvezet anyagbl kszlnek. A flvezet anyag tbbfle lehet, de a leggyakrabban a szilciumot alkalmazzk. Szilciumbl a Fldnkn nagy tartalkokkal rendelkeznk, nagyon stabil, tulajdonsgait sokig megrzi. 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 s n tpus 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. A fny szoksos ketts termszete (kvantum s foton) kzl a foton elmletet hasznljuk a szemlletes trgyalsra. A megfelel energij fotonok elnyelse elektron-lyuk prokat hoz ltre a flvezet mindkt rtegben. A kisebbsgi tltshordozk tvndorolnak a p-ntmeneten keresztl a msik rtegbe, ami ramot hoz ltre, a napelem ramforrsknt hasznlhat.

A napelemek villamos jellemziA napelem helyettest kapcsolsa ezek alapjn felrajzolhat(1. bra). Az If fotoelektromos ram, amelyet a megvilgts hoz ltre, egy ramgenertorral reprezentlhat, a flvezetp-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 IDIsmerve a dida ID-U jelleggrbjt, a napelem I-U jelleggrbje felrajzolhat(2. bra) egy adott If ramra, ami tbb tnyeztl is fgg.

1.

2.bra

Alapvet villamos jellemzk

A 2. brrl a napelem alapvet jellemzi leolvashatk:- U resjrsi feszltsg (I=0). A szilcium nap elemek szoksos resjrsi feszltsge 0,55-0,65 V. resjrsban a fny ltal generlt ram teljes egszben a didn keresztl folyik.- Irz rvidzrsi ram (U=O). rtke tbb tnyeztl is fgg. (lsd ksbb).- Maximlis leadott teljestmny P max. 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=K Ulrz- A 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.

HatsfokA 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: 1kW/m2.- A levegben megtett t hatsa a napsugrzs beessi szgnek fggvnyben ( AM=1 merleges, AM=0 rbeli alkalmazs), ennek szabvnyos rtke: AM=1,5 Air Mass)- A napelem hmrsklete: 250 oC

Napjainkban 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 olcsbbak, hatsfokuk azonban jval kisebb (6%). Ezeket elssorbankisebb energiaigny eszkzkben, mint pldul rkban, zsebszmolgpekben alkalmazzk.Laboratriumi krlmnyek kztt 22%-os hatsfok szilcium napelemek is kszltek. Tbbrteg napelemekkel mr 30% feletti hatsfokot is mrtek. Az egyrteg napelemekkel elvileg elrhethatsfok 27% krli. Tbbrteg napelemekkel akr 60% feletti hatsfok is elrhet egyes kutatk szerint.

Vesztesgek

Alapvesztesgek:Ebbe a kategriba kt jelensg okozta vesztesg sorolhat. Egyrszt a foton ltal vgzett tltshordoz generls hdisszipcit 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. Ennek javtsra egyb konstrukcikat hasznlnak: a tbbr-teg napelemek rtegei ms-ms hullmhossz fnyt kpesek energiatalaktsra felhasznlni. Rekombinci:A rekombinci a tltshordoz sztvlaszts ellenttes folyamata. Ha a sztvlt tltshordozk jra egyeslnek (elssorban a flvezet hibs rszeinl s a felletn), nem vesznek rszt az ramtermelsi folyamatban. Ez mind a napelem feszltsgt. mind az ramt cskkenti. Kikszblsre konstrukcis megoldsok szlettek.

Fny vesztesgek:A sugrzs egy rsze nem ri el a flvezett. Ennek oka lehet a felsznrl val visszaverds, a felskontaktusok rnykol hatsa s a fnyelnyels nem tkletes volta. Ez utbbi elssorban a kristlyos szilcium esetn lehet jelents. Ezen vesztesgek cskkentse konstrukcis eszkzkkel lehetsges (pl. a felszn specilis megmunklsa, amely a felleten sok apr prizmt kpez, csapdba ejtve a mr bejutott fnyt).

A villamos jellemzket befolysol tnyezkA napelemek a gyakorlatban nem szabvnyos krlmnyek kztt mkdnek. A villamos jellemzket befolysollegltalnosabb hatsok a hmrsklet. a sugrzs s a soros ellenlls. A villamos jellemzket befolysol tnyezk:A hmrsklet hatsa:A hmrsklet vltozs leginkbb a napelem feszltsgt befolysolja: nvekv hmrsklettel cskken. A szilcium napelem hmrskleti egytthatja negatv, tipikusan - 2.3 mV/oC. A hmrsklet I-U jelleggrbre gyakorolt hatsa az 3. brn lthat. Az ram s a kitltsi tnyez kevsb fggnek a hmrsklettl, s vltozsuk elhanyagolhatA sugrzs intenzitsnak hatsa:A napelem mkdsbl kvetkezik, hogy ha minl nagyobb a sugrzs intenzits a, 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. Az I-U jelleggrbe fggse a sugrzs intenzitstl az 4. brn lthat.

4.bra

3.bra

Soros ellenlls hatsa:A napelem ramnak elvezetse hatatlanul Joule h-vesztesget okoz. Hatsra az I-Ujelleggrbe az 5. bra szerint mdosul. Mint lthat, a soros ellenlls fknt a kitltsi tnyez cskkentsn keresztl hat a napelem jellemzire.

A napelem konstrukcis felptseA kristlyos szilcium napelemek szoksos alakja vagy kr, vagy ngyzet, kb. l00 mm-es mretekkel. Egy ilyen napelem 3A krli ramot s 0,5V krli feszltsget szolgltat. A napelem lapka szoksos felptse az 6. brn lthat. A flvezet rtegektl az ramot a kontaktusok viszik el. Egy a megvilgts oldalon van, egy pedig a hts oldalon. 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. A szilcium lapka fels oldalt bevonjk Visszaverdst cskkent rteggel a reflexicskkentse rdekben.

5.bra

6.bra

Fotoelektromos rendszerek felptseA fotoelektromos rendszerek legltalnosabb osztlyozsa a villamos szolgltat hlzatra val csatlakozsa vagy attl fggetlen mkdse alapjn lehetsges. Ez alapjn lehet szigetzem 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. Ennek 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 inverterre is szksg van.- Egyb szablyozsok is szksgesek, hogy a napenergia talakts sztochasztikus vltozsaibl a fogyaszt minl kevesebbet rzkeljen.Ezek alapjn egy fotoelektromos rendszer ltalnos felptse felrajzolhat (7. bra).

7.bra

A fotoelektromos genertorEz az egysg vgzi a fnyenergia talaktst elektromos energiv. Egy napelem feszltsge s teljestmnye nem elegend a fogyasztvagy az energiatrol tpllshoz, tbb napelem sszekapcsolsra van szksg, napelem modull. A napelem modul villamos jellemzi hasonlak az egyedi napelemhez, de nhny dolgot ki kell emelni:- A hmrsklet vltozs hatsa abszolt rtkben felersdik tbb napelem soros kapcsolsval.- A sugrzs intenzitsnak hatsa szintn felersdik tbb napelem prhuzamoskapcsolsa esetn. Ez a modul rvidzrsi ramra hat elssorban.- Soros kapcsols esetn, ha valamelyik napelem nem termel ramot (pl. rnykban van), akkor egy zr irnyban 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. Ezrt jminsg, az idelis jelleggrbt megkzelt napelemek esetn, amikor az jjeli kist ram kicsi, ezt a didt elhagyjk.

Teljestmny talakt s szablyozEnnek az egysgnek tbb feladata is van. Ez teremti meg a kapcsolatot a fotoelektromos genertor s a tbbi egysg kztt. Az energiatrol akkumultor fel a megfelel mrtktltsrl s a tlzott mrtk kists elkerlsrl kell gondoskodnia. A fogyaszt fel pedig a megfelel nagysg s ram nem feszltsg s teljestmny biztostsa a feladata. Ez az egysg az esetek tbbsgben elektronikus flvezetelemeket, teljestmnyelektronikai eszkzket tartalmaz. A specilis, napelemes tpllshoz hasznlt teljestmny elektronikai eszkzkkel szembeni kvetelmnyeket elssorban az energetikai megfontolsok (kevs vesztesg, jhatsfok) s gazdasgossgi kvetelmnyek (egyszer, kevs elembl ll, olcs, megbzhat) hatrozzk meg. Ezek a kvetkezk:- A teljestmny kapcsolknak kis vezet irnyfeszltsgesse legyen. (Schottky didk, nagymrtkben teltett bipolris tranzisztorok, amit a meghajtnak kell biztostania). Ezt a kvetelmnyt akr a teljestmny flvezetk prhuzamos kapcsolsval is igyekeznek kielgteni.

- Minl kevesebb teljestmnykapcsolt tartalmazzon. A klnfle feladatokat lehetsg szerint ugyanaz a berendezs lssa el. Ha mgis kln berendezsek kellenek, a teljestmny- ramIs irnya szempontjbl azok inkbb prhuzamosan, mint sorosan helyezkedjenek el.- Minl kisebb vezrlsi teljestmnyre legyen szksg. Sajnos ezt a kritriumot a viszonylag nagy vezet irny feszltsg ess feszltsg vezrelt elemek (FET, IGBT) elgtik ki.- Impulzusszlessg modulci esetn a minl kisebb kapcsolsi vesztesgek vgett a nagy kapcsolsi frekvencik nem megengedettek. Vltakoz ram inverterekben szlssges esetben akr ngyszgvezrlst is alkalmaznak ebbl a clbl. Ha azonban a tpllt terhels vltakoz ramgp, meg kell jegyezni, hogy ez a szoksos gpparamterekkel az sszteljestmnyre (tartalmazva a vltakoz ram motor teljestmnyt is) nagyobb teljestmnyignyt jelent, hiszen ekkor a gp vesztesgei nnek meg.

A klnfle megoldsok gyakorlati sszehasonltsra mrseket kell vgezni a rendszeren.

Fotoelekromos ramforrsrl tpllt rendszer sszehasonlt mrsnl a legnagyobb problmt a mrs reproduklhatsgnak kvetelmnye jelenti.A krlmnyek (sugrzs, hmrsklet) vltozsval megvltoznak a mrsi krlmnyek is s nagyon nehz ugyanazt a krlmnyt mg egyszer belltani. Ezrt pontos sszehasont mrsekhez a napelemes ramforrst emullni szoktk egy mestersges tpforrssal, amelynek paramterei s jellemzi a napelemes ramforrssal megegyezk s llthatk.

A tovbbiakban a teljestmny talakt s szablyozegysget rszletesen trgyalni fogjuk a klnfle alkalmazsokban.

Kombinlt zem akkumultorralMivel 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. Hlzatra kapcsolt rendszer esetn az energiatrols megoldott, maga a hlzat kpes felvenni az energit. A hlzatti fggetlenl mkd, szigetzem, nll fotovillamos ramforrs esetn meg kell oldani az energiatrols mdjt. A troIt energia fajtja s azon bell is a trols elve tbbfle lehet.Napjainkban az autonm fotovillamos rendszerek energiatrolsi clra tlnyom rszben akkumultorokat hasznlnak. Egyedl a vzszivattyzs emelhet ki a tbbi felsorolt mdszerek kzl, amit napjainkban is szmos helyen alkalmaznak.

Akkumultorok fotovillamos rendszerbenFotovillamos rendszerben az akkumultorok specilis, nem szoksos krlmnyek kztt mkdnek. Ezt a tervezs s hasznlat sorn figyelembe kell venni, mert ezek befolysoljk mind az akkumultor lettartamt, mind a rendszer hatsfokt. Az akkumultorban alapveten kt folyamat zajlik: a tlts s a kists. Az nll napelemes rendszerekben mkdakkumultorok zemnek legfontosabb jellemzje e kt folyamat ciklikussga. Ennek a ciklikussgnak klnfle ciklusai vannak, klnfle mrtk szablyossggal.- A napi ciklus alatt az akkumultor nappal tltdik, majd az jszakai terhels sorn kisl (8. bra).- Az idjrsi ciklust a vltoz idjrsi krlmnyek (a napsugrzs vltozsa az idjrssal) okozzk (8. bra). 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, na az akkumultor szezonlis trolknt mkdik (9. bra). Ekkor az idjrsi ciklus az vszak nagy rszt tfogja.A ciklikus mkds alapveten a rendszer tervezett megbzhatsgtl fgg. Ezt az akkumultor trolsi kapacitsa s a napelemes rendszer mrete hatrozza meg.

8.bra 9.bra

Az akkumultorok legfontosabb jellemzi fotoelektromos rendszerben

A fotoelektromos rendszerekben fontos jellemzk 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. Ezeket tltltsnek s mlykislsnek nevezik. A tlzott kisls elkerlsre bevezetik a kislsi mlysg hatrt megad rtket: a kivehet tltsmennyisg a nvleges tltsmennyisgre vonatkoztatva: PDmax~30%..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. A rendszer beruhzsi kltsgnek megtrlse szempontjbl jelents tnyez.

Az akkumultorokkal szembeni ignyek:

A napelemes ramforrsokban hasznlt akkumultorokkal szemben tmasztott specilis kvetelmnyek a kvetkezk:- J energiatrolsi hatsfokkal rendelkezzen.- Viselje el a mlykistst.- Az nkisls mrtke kicsi legyen.- Szles hmrsklet-tartomnyban kpes legyen mkdni.- Kevs karbantartst ignyel jen.- lettartama hossz legyen.

Valamennyi igny kielgtse mszakilag optimlis megoldst biztost, de gazdasgilag nem kifizetd. Az egyttes gazdasgi s mszaki optimum kompromisszumok rn rhet el. A gyrtk klnfle akkumultorokat knlnak kifejezetten napelemes alkalmazsi clokra is.

A fotovillamos ramforrsokban alkalmazott akkumultorok csoportostsa

A fotovillamos ramforrsokban alkalmazott akkumultorok, klnfle elvek szerinti csoportostst mutatjuk be :

a., Az elektrokmiai folyamatban rszt vev anyagok szerint - Savas elektrolit, lomakkumultor:Leginkbb kedvez ra teszi vonzv.

- Nikkel-kadmium elektrd, lgos elektrolit akkumultorok. Drga, kb. 50%-kal tbbe kerl az lomakkumultornl. Elssorban ez akadlyozza szleskr alkalmazsukat napelemes rendszerekben.

b., Kivitelk szerint- Nyitott akkumultorok. Alacsony karbantartsi igny, Kedvezbb r, Pozcirzkeny, Szellzst kell biztostani, kapacitsa nhny ezer Ah-ig terjedhet.

- Zrt akkumultorok Teljesen karbantarts mentes. Szellzst nem ignyel. Drgbb.Tetszleges pozciban telepthet. Nhny szz Ah kapacitsig gyrtjk. Mind a lgos, mind a savas akkumultorok lehetnek nyitott vagy zrt kivitelek.

c., Az akkumultor clja szerint a kvetkez csoportokba sorolhatk a kereskedelemben kaphat lomakkumultorok- Gpjrm indt akkumultorok:Rvid ideig nagy teljestmnycscs leadsra kpes. Lemezei vkonyak, felletk nagy, kevssalkalmas kis ramerssgek hosszantart szolgltatsra kt idben viszonylag tvoli tlts kztt. Pedig napelemes alkalmazsokban erre lenne szksg, ezrt nagyobb kapacits beptse szksges (PDmax

- Vontatsi jrm akkumultorok. Gyakori ciklusok, mly kistsseI. Nagy vzfogyaszts. Gyakori karbantartsigny.

- Energia trols cljra tervezett akkumultorok.Elssorban szksg ramforrs cljra hasznljk ket.

Savas lomakkumultorokFotovillamos rendszerekben energiatrolsi clra leginkbb savas lomakkumultorokat hasznlnak elssorban hozzfrhetsgk s kltsghatkonysguk miatt. Fotovillamos rendszerben lnyeges kihangslyozni a kistsi sebessg hatst az akkumultor kapacitsra. A savas lomakkumultor feszltsgnek tipikus viselkedse lthataz 10. 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.

10.bra

A savas lomakkumultorban lejtszd kros folyamatok:Az lomakkumultor tltse s kistse kzben a norml mkdsen tl az lettartamot s mkdst krosan befolysolegyb folyamatok is zajlanak:a., GzosodsTltlts esetn az elektrdkon gzosods (oxign s hidrogn kivlsa) indul meg. Ez kros a nvekv karbantartsigny s a robbansveszly miatt is. Esetlegesen vezrelt tltltst szndkosan is alkalmazhatnak az elektrolit kros rtegezdsnek cskkentsre.

b., SzulftosodsAz elektrdkon nagy szu1ftkristlyok keletkezhetnek, amelyek akadlyozzk a kmiai folyamatokat. Ez elssorban tlzott mrtk kists esetn lp fel.

c., Az elektrolit rtegzdseA kmiai folyamatok kzben az elektrolit nem homogn mdon alakul ki az ednyben. Ez elsegti a negatv elektrda aljnak korrzijt s szulftosodst.

d, Az elektrdk korrzija Elssorban magas tltsi feszltsg, alacsony kistsi feszltsg s magas hmrsklet esetn lp fel. Ezrt a savas lomakkumultor lettartamnak nvelse rdekben kerlni kell az albbi mkdsi krlmnyeket.- Magas tltsi feszltsg (vz vesztesget is okoz).- Alacsony kistsi feszltsg.- Tlzott mrtk kists (szulftosods).- Hosszan tart mkds teljes feltlts nlkl (szulftosods).- Magas mkdsi hmrsklet (regeds).

Ezek a kvetelmnyek hatrozzk meg a napelem s az akkumultor kztt lv berendezs feladatait. A napelemes rendszer ezen eleme a tltsszablyoz.

TltsszablyozA felttelek 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 zemllapotoktI. 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. Ezen rtkek meghatrozsa egymsnak ellentmond mszaki s gazdasgossgi megfontolsok kompromisszumos sszehangolsval lehetsges. Pldul gazdasgossgi szempontbl az a j, ha minl kisebb a lekapcsolsi feszltsg, mert gy tbb energia nyerhet ki az akkumultorbl. Mszaki szempontbl figyelembe kell venni az akkumultor fajtjt s tpust.

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. Fontos megemlteni, hogy ezek a feszltsgek az akkumultor plusain rtendk. Az rzkels helyig a feszltsg esseket a lehet legkisebb rtkre kell leszortani (vastag vezetk).A fogyaszt vdelme szempontjbl megemlthet az akkumultor nlkli zem (pl. karbantartsa idejn). Ilyenkor a napelem feszltsge megemelkedhet, amitl a fogyasztt a tltsszablyoznak kell megvdenie. Alapveten a tltsszablyoznak ktfle tpusa van attl fggen, hogy a kapcsol hol helyezkedik el. A "soros" tpus tltsszablyozbeavatkozsakor meg szakt ja a napelem s az akkumultor kzti kapcsolatot, a "snt" tpus pedig rvidre zrja a nap elemeket. Az elst a nagyobb, a msodikat a kisebb teljestmnyalkalmazsokban 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 feszltsglland marad.A terhelst tpll teljestmnyelektronikai egysg ellthatja a tltsszablyoz szerept is.

nszablyozott akkumultor tltsKis rendszerekben a fotoelektromos genertor, zr dida, akkumultorkapcsols 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-Ujelleggrbe knykpontja), kis mrtk akkumultor feszltsg emelkeds ugrsszeren lecskkenti a tltramot, automatikusan megakadlyozva a tltltst (11. bra).

11.bra

Meg kell jegyezni, hogy ez az egyszer mdszer nem akadlyozza meg az akkumultor kistst s mkdse nagyon rzkeny a hmrskletre.

Maximlis teljestmnyre szablyozs (MTSZ)

Lttuk, hogy a napelem I-U jelleggrbjnek megfelelen van egy olyan pont, ahol a nap elem a lehetsges maximlis teljestmnyt adja le (2. bra), Mivel a napelemes rendszerek teleptsnek elsdleges kvetelmnye az energia-hatkonysg szokott lenni, lnyeges szempont, hogy a napelem ltal leadott energia a lehetsges maximumot kzeltse. Ugyancsak ezt kveteli meg az a tny is, hogy a terhels teljestmny ignyt minl jobban kielgtse az ramforrs. Ez lehet akr pillanatnyi, akr adott idszakra (ltalban egy napra) rtelmezett tlagra rtk, ha a felesleget valamilyen energiatrolban a rendszer kpes eltrolni. Ez sajnos nem automatikusan ll el. A napelem s a hozzkapcsold terhels munkapontjt jelleggrbik metszspontja hatrozza meg. Ez jelentsen eltrhet a maximlis teljestmny munkaponttI. Az sem megolds, hogy valamilyen mdszerrel ezt a pontot a rendszeren belltjuk s utna magra hagyjuk, mert sajnos a maximlis teljestmnymunkapontot 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-Ujelleggrbt: a megvilgts (a sugrzs intenzitsa, 4. bra) s a napelem hmrsklete (3. bra).

- 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.

- A hmrsklet ami a krnyezeti krlmnyektl fgg. Ez a kevsb jelentsvltozs.

Mivel hatsukra megvltozik a napelem I-U jelleggrbje, a maximlis teljestmny pont helye s rtke is meg fog vltozni. Ez pldul aztjelenti, hogy egy kevsb megvilgtott napelembl kevesebb teljestmnyt lehet kinyerni.

A napelem jelleggrbjbl ltszik, hogy a maximlis teljestmny ponttl balra a napelem ramforrs jellegtpllst biztost, mg attl jobbra feszltsg forrs jellegnek minsthet. Ha azt akarjuk. hogy fotoelektromos ramforrs mindig a maximlis teljestmny pontjban dolgozzon, akkor errl mestersgesen kell gondoskodni. Ezt hvjk maximlis teljestmnyre szablyozsnak. Ez az esetek tbbsgben csak akkor tehet meg, ha a rendszer tartalmaz energiatrolsi lehetsget (pl. akkumultor). Ugyanis, ha csak az aktv terhels kapcsoldik a rendszerre s a napelemet valahogy a maximlis teljestmnynek leadsra knyszertjk, az nem biztos, hogy megegyezik a terhels ltal ignyelt teljestmnnyel. Ha tbb annl, az energiatrolban eltroljuk, ha kevesebb annl, a klnbsget az energiatrolbl fedezzk. Ez is mutatja, hogy a maximlis teljestmnyre szablyozs rendszerfgg, csakis rendszerszemlleti megfontolsokkal lehet dnteni alkalmazsrl s az alkalmazott mdszer mikntjrl. Ebben a fejezetben az ltalnos elveket tekintjk t, a konkrt alkalmazsoknl a megvalsts rszIeteire s mikntjre visszatrnk.

A maximlis teljestmny pont elssorban a sugrzs intenzitsval vltozik. Ennek bemutatsra kiegsztettk az 4. brt, berajzolva a maximlis teljestmny pontok grbjt valamint az lland teljestmny pontokat az 12. brn. Lthat, hogy nagyobb sugrzsi intenzitsok esetn a Pmax-U grbe j kzeltssel fggleges, a maximlis teljestmny pont Uopt optimlis feszltsge kzel fggetlen a megvilgts intenzitstl. A leadott teljestmny maximumt jl mutatja az 13. brn felrajzolt P-U grbesereg klnfle sugrzsi intenzitsra. A Pmax-U grbe itt egyrtelmbben berajzolhat a P-U grbk maximumainak sszektsveI. A tovbbi megfontolsokhoz clszer a napelem I-Ujelleggrbjt analitikusan is felrni.

U = c1 ln[ (If-I+Ir) / Ir] RsI

Ahol: - U s I a napelem kimeneti feszltsge s rama.- Ir a fotoelektromos ram, ami egyenesen arnyos a sugrzs intenzitsval. Ir rtke ebben a konkrt esetbenkb. 14 A 100%-os sugrzsi intenzits esetn (ez felel meg 1 kW/m2 sugrzsnak).- c1 konstans, Ir visszram, Rs teljes soros ellenlls a napelem tpustl, a napelem panel kialaktstl fggrtkek. Pl. egy 9 prhuzamosan kapcsolt, egyenknt 324 soros napelemet tartalmaz napelem tbla-rendszer esetn c1 =23,68 V; Ir = 0,009 A; Rs= 0,9 .

12.bra

13.bra

Ezek alapjn fel lehet rajzolni a maximlis teljestmny fggst G-tl, a megvilgts szzalkban kifejezett intenzitstl (a szabvnyos 100 mW/cm2 megvilgtsi rtkre vonatkoztatva) (14. bra). Ez egy kzel lineris fggvny, ami a maximlis teljestmny pontnak megfeleloptimlis feszltsg sugrzsi intenzitstI val kzel fggetlensgvei magyarzhat. A maximlis teljestmnyre val bellst vagy a terhels karakterisztikjnak megfelelmegvlasztsval, vagy egy elektronikus szablyozbeiktatsval (MTSZ) lehet biztostani. A maximlis teljestmnyre szablyozs brmely megvalstsa alapveten visszavezethet egy impedancia illeszts megvalstsra. Brmely terhels a napelem kimenkapcsai 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 15. brt, ahol ohmos terhelst felttelezve brzoltuk a fotoelektromos genertor s a terhels I-U jelleggrbit valamint lland teljestmny P=UI=ll. grbket.

14.bra 15.bra

Lthat, hogy a kzvetlen tpllsnak megfelel 1. jelmunkapontban a teljestmny s a feszltsg is jval kevesebb, mint a maximlis teljestmny pontban. A maximlis teljestmnyre szablyozs pldul egy DCIDC talaktt alkalmazhat ebben az egyszer esetben, amely a terhels feszltsgt

Uo-rl UR = ( Pmax R )0,5

rtkre nveli, a terhels a 2. jel pontban, a fotoelektromos genertor pedig a maximlis teljestmny pontban mkdik. (A szablyozs felfoghat gy is, hogy a terhels ellenllst illesztettk a maximlis terhels ponthoz.)Els krben vizsgljunk meg klnfle terhels tpusokat, hogy mindenfle kln beavatkozs nlkl mennyire kzeltik meg a maximlis teljestmny pontot.

A terhels tpusok sszehasonltsa Pmax kzeltse szempontjbl

Mint lttuk, a napelem-terhels rendszer esetn a napelem ltal leadott munkaponti teljestmnyt a napelem s a terhels egyttesen hatrozza meg. Elfordulhat, hogy megfelelmretezs esetn a terhels olyan, hogy a rendszer legtbbszr kzel mkdik az optimlis munkaponthoz, nincs szksg maximlis teljestmnyre szablyozsra, ami leegyszersti, olcsbb s megbzhatbb teszi a berendezst. Hat terhelstpust vizsglunk meg ebbl a szempontbl:1. Ohmos terhels.2. Akkumultor terhels.3. Ohmos terhels plusz akkumultor.4. Vz elektrolzis (lsd hidrogn termels).5. Teljestmny talakt, lland teljestmny terhels. 6. Egyenram motor, amely ktfle szivattyt hajt: volumetrikus (fordulatszmti fggen kb. llandterhelnyomatkot jelent), centrifugl (ekkor a terhelnyomatk kb. ngyzetesen fgg a fordulatszmti).

Ohmos terhelsAz ohmos terhels I-U jelleggrbje a kvetkez egyszersszefggssel rhat le:U=IRAz (5.3)-ban megadott fotoelektromos ramforrshoz illeszkedR=13-os ellenlls jelleggrbjt berajzolva az I-U, P-U s Pmax-G brkba kapjuk a 16. , 17. , s 18 brkat (akr analitikus, akr grafikus mdszerrel). A terhels jelleggrbjnek elhelyezkedse a maximlis teljestmnynek megfelel grbhez kpest jellemzi a rendszer elemeinek illesztst. Mindez jobban ltszik azokon az brkon, ahol a teljestmnyek vannak brzolva, hiszen vgeredmnyben a teljestmnyek szempontjbl kell illeszteni a rendszer sszetevit. Leginkbb a Pmax-G s P-G jelleggrbk mutatjk ezt. A mg rzkletesebb jellemzsre rdemes bevezetni egy kihasznlsi hatsfokot, ami az adott sugrzsi intenzitsnak megfelel teljestmnyek hnyadosval definilhat: G=100 (P/Pmax) %Az 18. brn ez is brzolva van, s pontosan azt mutatja meg, amire kvncsiak vagyunk: mennyire van kzel a terhels P teljestmnye az adott intenzitsnak megfelel Pmax maximlis teljestmnyhez. Ltszik, hogy ennl a terhels tpusnl jelents eltrsek vannak, kell szablyozs (impedancia illeszts).

17.bra

16.bra

18.bra

Akkumultor terhelsEz 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-IRb,Ha a kis rtk bels ellenllst elhanyagoljuk, a jelleggrbe U=Uaklland feszltsgre egyszersdik. Berajzolva a minimlis s a maximlis feszltsgnek megfelel fggleges egyenest a napelem I-U jelleggrbi mell kapjuk az 19. brt. A minimlis 115V-os akkumultor feszltsg esetn pldaknt megjelltnk nhny lehetsges munkapontot (a,b,c,d). Ismt javtja az brzols ttekinthetsgt, ha teljestmnyeket s kihasznlsi hatsfokot brzolunk inkbb. a sugrzs intenzitsnak fggvnyben (20. bra). A minimlis 115V s a maximlis 135V-nak megfelel grbk (P(115) s P(135)) lettek felrajzolva s hasonlthatk ssze a maximlis teljestmny grbjvel. Lthat, hogy a P(115) grbje nagyon kzel van a P max grbjhez, ami nem' ilyen nyilvnval az 19. brbl.

19. bra

20.bra

A kt feszltsg zemhez tartozik egy minimlis sugrzsi intenzits, amivel mkdni kpesek. Ezek az brbl lthatan kb. 8% s 18%-osrtkek. A kis feszltsg zem kihasznlsi hatsfoka nagyon magas, l00%-hoz kzeli. A nagyobb feszltsg zem esetn a teljestmnyek egyezse s a hatsfok nem ilyen j, de ez nem jelent problmt, hiszen ekkor az akkumultor teljesen fel van tltve, a tltsszablyoz gy is lekapcsoln a tovbbi tltst. Ez azt jelenti, hogy adott napelemhez az akkumultor feszltsg megfelelmretezsvel j illesztst tudunk megvalstani akr maximlis teljestmnyre val szablyozs nlkl is.

Ohmos terhels akkumultorral egyttEz a terhelsi eset az elz kett kombincija, illetve azokbl sszetehetk az zemllapotok:- Ha az akkumultor tltttsge kicsi, az ellenllst lekapcsoljk.- Ha az akkumultor tltttsge nagy, az akkumultort vlasztjk le a napelemrl.- A kt szls tltttsgi llapot kztt mind az akkumultor, mind az ellenllsra kapcsoldik a napelemre. A terhelellenllst s a vele prhuzamosan kapcsold akkumultort reprezentl feszltsgforrst s az akkumultor belsellenllst Thevenin elven helyettestve, a jval nagyobb terhel ellenllst elhanyagolva az elzekben trgyalt akkumultoros terhelst kapjuk ismt. gy ennek az esetnek kt mkdsi llapota van: ohmos terhels, akkumultoros terhels. Ezrt ebben az esetben a kihasznlsi hatsfokot egy idciklus tlagra (egy napra) clszer kiszmolni felttelezett napi ciklusokkal.

Vz elektrolzisAz elektrolzis terhels I-U jelleggrbjnek egyen1ete a kvetkezkppen rhat fel:

U=Uo+ IRbAhol Uo s Rb az elektrolit bels feszltsge s az ellenllsa.Adott rtkekre lett felrajzolva az 21. bra, a napelem jelleggrbivel egytt.( Uo = 90V; Rb = 3,45 ). Ahogy a tbbi terhelsre, itt is rajzoljuk fel a teljestmnyeket s a kihasznlsi hatsfokot a sugrzs intenzitsnak fggvnyben (22. bra). (Feltteleztk, hogy az elektrolzis kb. 10%-s sugrzsi intenzits esetn indul meg.) Ebbl lthat, hogy az illeszts csaknem tkletes. Ez azt jelenti, hogy megfelel mretezssel a rendszer a maximlis teljestmny ponthoz kzel mkdik nmagban.

21.bra 22.bra

Teljestmny talakt, lland teljestmny terhelssel. Mint lttuk, a napelemes rendszer sokszor tartalmaz teljestmny talaktt a terhels tpllsra. Gyakran fordul el, hogy a terhels lland teljestmnyt ignyel (pl. vilgts).Berajzolva nhny lland teljestmny grbt (500 W, 900 W, 1300 W) a napelemek I-U jelleggrbe seregbe kapjuk az 23. brt. KorItozzuk be a rendszer mkdst 100 V feszltsg szint fl s a napelem Pmax grbjnek jobboldalra (nagyobb feszltsg, kisebb ram zem). Pldaknt az 500 W-os grbre berajzoltunk nhny lehetsges munkapontot (a,b,c,d). Ugyanezekre a viszonyokra brzoljuk a teljestmnyeket is (24. bra). Az 25. brn a teljestmnyeket s a kihasznlsi hatsfokot a sugrzsi intenzits fggvnyben brzoltuk. Mindezekbl lthat, hogy ez a terhels tpus nagyon kevss illeszkedik a maximlis teljestmny zemhez, a kihasznlsi hatsfok nagyon rossz. Ebben az esetben kell maximlis teljestmnyre szablyozs. Szerencsre ez a teljestmny az talakt vezrIsvel megoldhat.

24.bra

23.bra

25.bra

Egyenram szivattyhajts.Ezt a terhelstpust szles krben alkalmazzk fotoelektromos ramforrs esetn. A kvetkezkben megvizsgljuk llandmgneses egyenram motor ltal hajtott kt szivattytpusra a terhels illeszkedst a napelemes ramforrshoz. Ez a kt szivatty tpus a volumetrikus (kzel lland terhelnyomatk) s a centrifugl szivatty (kb. a fordulatszmmal ngyzetesen vltoz terhelnyomatk). A szivattyk fordulatszm-nyomatk jelleggrbi a pldban a kvetkezegyenletekkel rhatk le (Minden mennyisg SI mrtkegysgben):

Mt1=4,2 + 0,002387 w Mt2=0,5+0,002387 w + 0,00039 w1,8

A motor fordulatszm (szgsebessg) - nyomatk jelleggrbje az ismert egyenlettel rhat le:

w = [ (U/k)-(IR/k)] = [(U/k)-(MR/c k 2)]

Nyomatka s rama kztt pedig a M = c I

sszefggs teremt kapcsolatot.Ezek alapjn a motor fordulatszm (szgsebessg)- nyomatkjelleggrbit felrajzoltuk t sugrzsi intenzitsra az 26. brn,berajzolva a ktfle terhelstpus jelleggrbit is.

26.bra

Pldaknt nhny lehetsges munkapontot is bejelltk.Egybl 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.Felrajzolhat a rendszer elemeinek I-U jelleggrbje is ( 27. bra). A "j-a-f pontok kztti egyenes a motor aramatra ellenllsnak felel meg. Mt1 terhelssel az f ponttl, Mt2terhelssel az a pontti kpes mkdni a hajts. A Pmaxvonaltl a terhelsek jelleggrbi messze vannak, fknt azMt1 terhels. Szemlletesebb kpet kapunk a teljestmnyviszonyokrl a teljestmnyeket s a hatsfokot brzol28. brrl. Lthat, hogy a P(Mt2) grbe sokkal jobban kveti a Pmaxgrbt, mint a P(Mt1). gy a kihasznlsi hatsfok is nagyobb Mt2 terhels esetn.

27.bra

Az eddigi sszehasonlt elemzsbl kitnik, hogy a fotoelektromos ramforrsrl zemeltetett berendezs tervezse sorn a teljes rendszert kell ttekinteni, belertve a terhels tpust is, azaz rendszerszemllet megkzelts szksges.

28.bra

A maximlis teljestmnyre szablyozs megvalstsi lehetsgei

A maximlis teljestmnyre tbbflekppencsoportosthatk:

A maximlis teljestmny pont belltsi elve szerint:- Keress.- Analitikus kpletek alapjn (lineris vagy linearizlt rendszer). - A nemlineris rendszer becslse alapjn.

Az alkalmazott teljestmnyelektronikai eszkz szerint:- DC-AC inverter.- DC-DC szaggat.- Klnleges kapcsols.

A beavatkozs mdszere ,szerint:- Impulzusszlessg modulci (egy ill. hromfzis).- Frekvencia vltoztatsa vltakoz ram alkalmazsokban.

Az irnytst vgz eszkz szerint:- Mikroszmtgpes (mikroprocesszor, mikrokontroller). - Analg szablyoz.

A tovbbiakban ttekintnk nhny megvalstst, amelyek ezekbe a kategrikba csoportosthatk.Kltsgtakarkos, egyszer analg szablyoz.

A vizsglt rendszer kapcsolsa az 29. brn lthat. A 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. 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. :

Kiindulva a napelem jelleggrbjnek analitikus kpletbl U = c1 ln[ (If-I+Ir) / Ir] RsI

a maximlis teljestmny pontra felrhat a kvetkezegyenlet (szlsrtk szmts):

d (UI) /dI = 0 = ..Ezt a transzcendens egyenletet numerikus mdszerrel megoldva, klnfle fotoelektromos ramokra (Ir) a maximlisteljestmny ponthoz tartoz ram brzolhat a fotoelektromos ram fggvnyben, erre nagyon jkzeltssel lineris fggvny addik (30. bra).

29.bra

30.bra

Ez azt jelenti, hogy a sugrzsi intenzitssal egyenes arnyban lv fotoelektromos ramhoz a maximlis teljestmnyt biztost lopt optimlis ram egyszer mdon kiszmolhat s egyszer analg szablyozval kiknyszerthet. A fotoelektromos ram visszacsatolt jele egy csak mrsi clra hasznlt ugyanolyan s ugyangy megvilgtott napelem ramnak mrsvel ll el. A kvetkez pldkban a klnbz bonyolultsg irnytst mikroszmt-gppel valstottk meg.

Vltakoz feszltsg ellltsa maximlis teljestmnyre szablyozssal Szemben az elz pldval, itt a kltsgtakarkossg nem rvnyeslt. Egyrszt a teljestmnyelektronikai kapcsols nagyon bonyolult (31. bra). Tartalmaz egy DC-AC talaktt, amely nagyfrekvencis (1O-15kHz) impulzusszlessg modullt vltakoz feszltsget llt el. Ez egy nagyfrekvencis transzformtoron keresztl van levlasztva (biztonsgi s illesztsi okbl).

31.bra

Majd ezt a feszltsget egy nagyfrekvencis egyenirnytegyenirnytja (szrs utn fl szinuszok) majd egy klnlegesen vezrelt polarits vlt inverter ebbl szinuszos feszltsget llt el. Sajnos a sok elem miatt egyrszt drga lesz a berendezs, msrszt a sorba kapcsolt talaktkon tfoly teljestmnybl jelents vesztesgek vondnak le. A rendszer ltjogosultsgt a nagyfrekvencia alkalmazsval elrhet transzformtor slycskkens adja. Pldaknt inkbb azrt szerepeltetjk, mert bemutatja, hogy egy egyszer 8 bites egy-chipes mikrokontrollerrel (i8751) megoldhatk a szablyozsi feladatok (ebbl a szempontbl kltsgtakarkos). A maximlis teljestmnyre szablyozst on-line keressi algoritmussal valstottk meg. Az illesztst a napelem kimenetn rtelmezett, a terhelst reprezentl ellenlls vltoztatsval valstottk meg, alrendelt ramszablyozssal. A teljestmny maximum un. hill-climbing(hegyre mszs) algoritmussal kereshet meg. Elve az 32. brn lthat: vltoztatva az egyenrtk ellenllst kis lpsekben, P eljelbl eldnthet, hogy milyen irnyban kell a keresst folytatni s mikor kell abbahagyni.

A napelem ltal leadott P teljestmnyt az ramnak s feszltsgnek szorzatbl kaphatjuk. Szrsi clbl ngy egyms utni rtk tlagval szmol az algoritmus. A bellsra nincs nagy dinamikai kvetelmny, gy nem is lp fel nagy szmtsi teljestmny ignnyel az irnytegysg fel. A keressi algoritmust 185,1ms-knt hajtjk vgre. gy a maximlis ellenllsti indtva a keresst Pmax rtkt 17s alatt ri el az algoritmus.

32.bra

Aszinkron motoros szivatty hajts Ez is egy vz szivatty hajts, de a szivattyt egy vltakoz rammotor, egy aszinkron motor hajtja. Az aszinkron motor egy inverteren keresztl kapcsoldik kzvetlenl a napelemekre. Akkumultort nem hasznlnak (kltsgtakarkossgi clbl), ami vz szivattyzsnl megengedhet, hiszen a magasan lvtartlyba szivattyzott vz helyzeti energijn keresztl egy indirekt energiatrolnak foghat fel. A rendszer blokkvzlata az 33. brn lthat.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 szolgltatfotoelektromos ramforrs kimenetre az egyenrtk egyenkri ellenlls vltoztats ra (ami szksges akkumultoros mkds esetn az akkumultor illesztse s tltse cljbl).

33.bra

Ennek elhagysa is 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 vltozvltakoz ram impedancia a napelem kapcsain egy egyenrtk vltoz egyen impedancit eredmnyez. Maga a maximlis teljestmnyre szablyozs itt is 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 (4. bra). Uopt = ll. s ismert.- A szivatty mechanikai teljestmnye kzeltleg a frekvencia kbvel arnyos.- Az talaktsi folyamatban a mechanikai s a villamos vesztesgeket elhanyagoljuk.

Kombinlt teljestmny elektronikai egysget tartalmazfotoelektromos ram-forrs Ebben a pldban nem a funkcionlis blokkok szoksos soros (vagy msknt kaszkd) kapcsolsa lett alkalmazva (34. bra). Ekkor a klnfle funkcikat klnll s sorba kapcsolt egysgek valstjk meg. A klnfle funkcik a kvetkezk:- Maximlis teljestmnyre szablyozs, amit legtbbszr egyDC-DC talaktval oldanak meg.

- Az akkumultor tltse.- DC-AC talakt, ha a terhels vltakoz feszltsget ignyel.

A tbb blokk drgtja a berendezst, sszegezve az egyes egysgek rt. A soros kapcsols pedig az ered hatsfokot rontja, ami az egyes blokkok hatsfoknak szorzata lesz. Ha felttelezzk, hogy a teljes energit eltroljuk az akkumultorban (vannak olyan zemllapotok, amikor ez trtnik), majd onnan tplljuk a terhelst, akkor az akkumultor hatsfoka is szerepel mint szorz tnyez az ered hatsfok kpletben:

e = MTSZ .t .akk .inv

34.bra

Ha mindegyik egysg hatsfokra 90%-ot tteleznk fel, akkor az ered hatsfok 66% lesz. Ha azonban a soros kapcsols helyett parallel teljestmny-elektronikai egysgeket hasznlunk, a hatsfok javulni fog. A maximlis teljestmnyre szablyozs ily mdon trtn megvalstsra a szakirodalom a 35. brn lthat kapcsolst javasolja (a napelemet az ramforrs jelkpezi).Itt egy kondenztor van sorba kapcsolva a napelemmel s az akkumultorral. A kondenztorra egy teljestmnyelektronikai talakt (DC-DC) kapcsoldik, aminek kimenete az akkumultort tlti. Ezzel az elrendezssel a teljestmny talakt hatsfoknl nagyobb eredtltsi hatsfokot lehet elrni az albbiak szerint:e = (az akkumultor bemen telj.) / (a napelem kimen telj.)

35.bra

Villamos hajtsok fotoelektomos ramforrssal

Az eddigiekben is szerepeltek mr hajtsi fotoelektromos ramforrsrl mkd villamos hajtsok. Ebben a fejezetben az ltalnos elveket, problmkat s nhny megvalstsi pldt mutatunk be.

Egyenram hajtsokAz eddig trgyalt villamos hajtsok nagy rsze egyenramhajts volt. Ez a kzenfekv megolds, hiszen a napelem egyenfeszltsget szolgltat. Ennek kvetkeztben: lehet a hajtst olyan fotoelektromos ramforrsrl tpllni, amely tartalmaz maximlis teljestmnyre szablyozst (MTSZ) s olyanrl, amelyik nem (kzvetlen tplls). Az elzekben lttuk, hogy pldul az lland mgneses egyenram motor ltal hajtott centrifugl. szivatty jl illeszkedik a maximlis teljestmny zemhez, megfelel mretezssel MTSZ nlkl is a maximlis teljestmny pontokhoz kzel mkdik.

Erre van gyakorlati plda ahol egy kis karbantarts ignyelektronikus kommuttor motor hajt merl szivattyt MTSZ nlkl. A megfelel mretezshez viszonylag pontosan kell ismerni a motor paramtereit, st azok esetleges vltozst is (pl. az lland mgnes lemgnesezdse akr zem kzben, akr szerels sorn).Fotoelektromos ramforrsrl tpllt egyenram motorok kritikus zemllapota az induls. Ha nincs elegendnyomatkuk, nem kpesek elindulni. Ez elssorban kis sugrzsi rtkeknl fordulhat el. A napelemek nem kpesek nagy ramerssgek szolgltatsra, ami esetleg induls sorn szksges lehet. Ezek a kvetelmnyek azt jelentik, hogy minl nagyobb indt nyomatkra s minl kisebb indtramra kell trekedni. Clszer megvizsglni a szoksos egyenram motor tpusokat az indtnyomatk - nvleges nyomatk s indtram - nvleges ram arnya szempontjbl.

Ngy fle egyenram motor jhet szba kzvetlen tpllsnl: lland mgneses; soros- , kls- s snt gerjeszts.A snt motor feszltsg genertoros tplls esetn egyenrtk a kls gerjeszts motorral. A napelem azonbannem feszltsgforrs jelleg tpllst biztost, hanem ram genertor jelleg, ezrt, jelents eltrsek lesznek a ktfle motortpus kztt. Az indtsi s nvleges nyomatkok arnya:

lland mgnes motornl:ha G = Gn , akkor Mind(G) /Mn(Gn) ~ 1,2

Soros gerjeszts motornl:ha G = Gn , akkor Mind(G) /Mn(Gn) ~ 1,44

Snt gerjeszts motornl:ha G = Gn , akkor Mind(G) /Mn(Gn) ~ 0,144

Kls gerjeszts motornl:ha G = Gn , akkor Mind(G) /Mn(Gn) ~ 1,2

Maximlis teljestmnyre szablyozssal (MTSZ) ezek az arnyok jelentsen nvelhetk pl. lland mgnes motornl ~2,64

Vltakozram hajtsok

Fotoelektromos ramforrsrl napjainkban tlnyom rszt egyenram motorokat mkdtetnek, ami rthet, hiszen a napelem egyenfeszltsget szolgltat. Ennek tudhat be, hogy az eddigi pldkban is az egyenram motorok tlslya jellemz. Ezen a terleten is rvnyesl azonban az azltalnos tendencia, hogy a bonyolult, drga, karbantarts ignyes kommuttoros egyenram motorokat kivltsk vltakoz ram motorokkal, azok kzl is a kalicks forgrsz aszinkron motorral. Sajnos ezek alkalmazsa kzvetlen tpllssal szba sem jhet, kell egy DC-AC talakta napelem s a motor kz. Ez az talakt kpes a maximlis teljestmnyre szablyozst is vgezni.Rviden foglaljuk ssze az aszinkron motorok fotoelektromos tplls esetn val alkalmazsnak elnyeit s htrnyait.

Elnyk:Gyakorlatilag minden elnys tulajdonsga magbl a motor tpusbl kvetkezik

- Olcs motor. A fokozottan kltsgrzkeny fotoelektromos alkalmazsokban ez fontos tnyez lehet.

- Egyszer, karbantartst alig ignyl, robusztus motor. Ennek is vannak kltsgkihatsai az zemeltetsi kltsgeken keresztl. Klnsen figyelembe vve azt a tnyt, hogy a fotoelektromos ramforrst nagyon gyakran szerviztl s szakembertl tvoli helyen zemeltetik.

Htrnyok:- Kell egy DC-AC talakt (inverter) a motor tpllsra. Ez egyrszt nveli a kltsgeket, msrszt mg egy vesztesgforrs. Fleg kisebb teljestmnyeken (s a nagyobb darabszm alkalmazsok ebbe a kategriba esnek) az inverter tbblet kltsge s tbblet vesztesge nem teszi gazdasgoss a vltakoz ram alkalmazst.

- A hajts hatsfoka kisebb, mint az egyenram motorok.- Az inverter megfelel szablyozsval kell megfelel indt

nyomatkotbiztostani.

- Stabilitsi problmk lehetnek a motor fordulatszm nyomatk jelleggrbjnek billen jellege miatt.

rdemes sszefoglalni nhny ltalnos elvet az aszinkronmotorok fotoelektromos tpllsa esetn:

- Az alkalmazott DC-AC talakt szinte kizrlagosan fesz1tsginverter.

- Vezrlsi mdja lehet ngyszgvezrls vagy impulzusszlessg modulcis vezrls. Az ISZM a kapcsolsi vesztesgeket nveli, a ngyszgvezrls esetn pedig a motor vesztesgei nagyok. Normlis kapcsolsi frekvencikig a motor vesztesgei a dntek.

- Beavatkoz jele a kimen alapharmonikus frekvencia (s ISZM esetn feszltsg). Lthat volt, hogy ezzel pl. a maximlis teljestmnyre szablyozs megvalsthat

- A fotoelektromos ramforrs az optimlis ponttl balra es pontokban ramgenertornak, a tle jobbra es pontokban feszltsggenertornak foghat fel. Az inverter egyenkre gy nem lesz, tisztn feszltsgforrs jelleg, csak szablyozssal s megfelel beavatkozssal tehet azz. Elfordulhat, hogy kis megvilgts esetben az egyenfeszltsg kicsi rtke miatt az inverter nem rendelkezik megfelel feszltsg tartalkkal a szablyozshoz szksges beavatkozshoz. Ezzel kapcsolatban figyelembe kell venni, hogy az aszinkron motor billen szlipjt feszltsggenertoros tpllsnl a tranziens reaktancia hatrozza meg, mg ramgenertoros tpllsnl a forgrsz reaktancija (tartalmazva a nagysgrendileg nagyobb fmez reaktancit) hatrozza meg, gy ez sokkal kisebb lesz. Ennek stabilitsi kihatsai lehetnek.