Röviden jellemezze a fotovillamos cellák legfontosabb anyagait és típusait

1. Röviden jellemezze a fotovillamos cellák legfontosabb anyagait és típusait

2. Mérföldkövek • Becquerel 1839 nedves cella • Adams és Day 1877 szelén • Fritts 1883 • az első fotovillamos cella • hatásfok: <1% • Bell Laboratories 1954 • mesterségesen szennyezett félvezető hatásfok: 6% • 80-as évek elejétől polikristályos vékonyréteg cella

3. Félvezetők és „szennyező” anyagok • A fotovillamos cella lényegében egy dióda: két különböző tulajdonságú félvezető réteg összekapcsolt egysége • A félvezetők között leggyakoribbak a szilícium alapanyagúak. A Si a Földön az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló anyag. Vannak más félvezetők is (pl.: GaAs, CdS, Cu2S) • A Si atom vegyérték-elektronjainak száma: 4. A Si kristály atomjai egymáshoz kapcsolódnak, 2-2 elektront megosztva • A Si alapanyagú, n-típusú félvezető kevés foszfor-szennyezőanyag hozzáadásával készül. • A foszfor atomnak 5 vegyérték-elektronja van, tehát ha elfoglalja egy Si atom helyét, akkor 1 elektron felesleges lesz. (negatív-típus)

4. Félvezetők és „szennyező” anyagok (folyt.) • A p-típusú anyag bór-szennyezéssel készül. A bórnak 3 vegyérték-elektronja van, így ha egy Si atom helyére kerül egy elektron helye üres marad, azaz ott „lyuk” jön létre. Ezért ezt pozitív-típusú (elektron-hiányos) anyagnak nevezzük. • Ha az anyag atomjának egy elektronja – pl. gerjesztés folytán – a helyéről elmozdul, akkor a helyén „lyuk” keletkezik. Tehát, ha az elektronok mozognak, akkor a „lyukak is mozognak”. Ebben az értelemben tekintik a „lyukakat” töltéshordozóknak.

5. Különböző alapanyagú cellatípusok • Többkristályos szilícium (egykristályos morzsákból, vagy többkristályos ingotokból való öntéssel készül) • Amorf szilícium. Benne kevésbé rendezett a struktúra, mint a kristályosban, nem mindegyik Si atom kötődik a szomszédjához. (gyártó pl. DUNASOLAR). Igen vékony, hajlékony rétegben gyártható. Olcsóbb, de kisebb a hatásfoka (10% alatti) és kevésbé stabil; degradáció lehet. • CdTe (Kadmium-tellurid) alapanyagú cella, hatásfoka > 10%. Egyszerű, gyártása nem költséges, jó sávszélességű. (gyártó pl. BP Solar). megj.: a Cadmium szennyező anyag (amire a gyártásnál és a hulladék-kezelésnél ügyelni kell) • CuInSe2 (Réz-indium-diszelenid) laboratóriumban mért hatásfoka 12,9%, stabil, vékony rétegben is alkalmazható. A gyártáshoz hidrogén-szelenid gázt alkalmaznak, ami mérgező. A gyártásellenőrzés megoldható, de biztonsági intézkedések szükségesek.

6. A különböző alapanyagú cellák laboratóriumban elért legnagyobb hatásfoka: GaAs (500-szoros koncentrációval) : 28% Si (140-szeres koncentrációval) : 28% Si (koncentráció nélkül) : 22% Si (kristályos vékonyréteg elem) : 15% a-Si : 13,7% CuInSe2 : 12,9% CdTe : 12,8%

7. Költségcsökkentési lehetőségek • Kevésbé tiszta alapanyagból („solar-grade silicon”) gyártani olcsóbb, mint az elektronikus tisztaságú félvezető anyagokból, bár a hatásfok kissé rosszabb lesz. • A szalag-formában való növesztés olcsóbb, mert nem kell az ingotot vékony lapokra vágni. • A vékonyrétegű cellák alkalmazása (többkristályos szilíciumból) 10-20 µm, vagy ennél is vékonyabb rétegek egymásra építésével. A várható hatásfok ~ 25%. További előny: kevesebb anyag szükséges, így olcsóbb is.

8. Ismertesse a fotovillamos cellák jelleggörbéjét, a befolyásoló tényezőket, valamint a soros és párhuzamos kapcsolás eredő jelleggörbéit! Papadopulosz Filip

9. A jelleggörbe a cella áram-feszültség függvényét (I-U) ábrázolja,adott q (W/m2) besugárzási áramsűrűség, és adott üzemi hőmérséklet mellett. Az ábrán a BP Solar fotovillamos cellájának karakterisztikája látható q=1000 W/m2 besugárzás és 25oC cella hőmérséklet mellett.

10. A jelleggörbe különböző pontjaihoz tartozó U és I értékek szorzata a cella teljesítményével egyenlő. Az üzemeltetés szempontjából igen fontos a jelleggörbe maximális teljesítményű pontja /Maximum Power Point, MPP/. A jelleggörbe metszéspontja az ordináta tengellyel a rövidzárlati áram értékét, az abszcissza tengellyel pedig a nyitott áramköri feszültség értékét adja. Rövidzárlati áram Nyitott áramkörifeszültség

11. A besugárzási intenzitás csökkenése esetén a cella teljesítménye csökken, a jelleggörbe szűkül és lefelé eltolódik.

12. A cella-veszteségei hővé alakulnak és a cella üzemi hőmérsékletét - a környezeti hőmérséklet fölé - növelhetik. Az üzemi hőmérséklet növekedése esetén a rövidzárlati áram kissé megnő /mert Eg csökken/, ugyanakkor az üzemi feszültség /és így a cella teljesítménye is/ csökken.

13. A jobb oldali képen láthatjuk, hogy a fotovillamos cellák, soros összekötésekor, a jelleggörbék feszültségértékei összegződnek. A folytonos vonal mutatja a jelleggörbét alap estben, míg a szaggatott vonallal, a két cella soros kapcsolása esetén kialakuló eredő görbét láthatjuk.

14. A cellák párhuzamos kapcsolása esetén pedig, az áramerősség értékek összegződnek, az eredő jelleggörbe pedig, ezen az ábrán látható. Tehát, ha a gyakorlatban megfelelően használható áramforrást szeretnénk készíteni fotocellákból, a megfelelő teljesítményérték több cella összekapcsolását kívánja meg.

15. Az alábbi ábrán egy 30 kristályos 100mmx100mm-es Si cellákból felépülő (maximum 42W teljesítményű) modul jelleggörbéje látható.

16. A fotovillamos rendszerek főbb alkalmazási területei

17. - Kistejesitményű müködtető áramforrásként történő alkalmazások A már általánosan elterjedt és bevált felhasználási területek a következők. a) Alkalmazás: órák, számitógépek, jelzőfények, világitás, jelzőbólyák, villamos karám /villanypásztor/, segélytelefon, átjátszó adók áramforrásaiként. b) Átlátszó cellák alkalmazása ablak-szellőzéshez: szellőzők lapátjait burkoló amorf-szilicium cella használata a szellőző motorjának hajtására. Kempinglámpák áramforrásaként való felhasználás.

18. - Egyedülálló /stand-alone/ autonóm áramforrások Alkalmazás: villamos hálózattal el nem látott területeken. Egyedülálló autonóm jelleg: - nincs segéd-energiaforrása - nincs más energiaszolgáltató rendszerrel kombinált üzemben - nincs hálózatra kapcsolva. Felépitését a 3.5.ábra szerinti kapcsolási rajz mutatja be. Főbb elemei: 1. modul 2. egyenirányitó /dióda/ 3. töltésszabályozó 4. akkumulátor 5. fogyasztó /terhelés/

20. Alkalmazás vizszivattyúzásra Nem szükséges akkumulátor, mert a felszivattyúzott viz tárolható. Centrifugál-szivattyú alkalmazása. Jellemzői: rugalmas üzem, változó fordulatszámon is szállit,a hatásfoka fordulatszám-függő. Térfogati (volumetrikus) szállitású szivattyú alkalmazása Dugattys, csavar, fogaskerék szivattyúk főbb jellemzői: jelleggörbéjük csaknem függőleges,nyomaték igényük nem függ a fordulatszámtól; hatásfoka jobb, mint a centrifugál-szivattyúé. Mivel a meghajtó villamos-motor nyomatéka fordulatszám-függő , szükséges egy DC-DC konverter (egyenáramú átalakítól) alkalmazása.A DC-DC konvertert a fotovillamos modul és a meghajtó egyenáramú motor közé kell kapcsolni,hogy a szivattyú számára a szükséges nyomaték biztositható, -azaz: a kimenő U ki feszültség megfelelő értékű Iegyen.

21. Hálózatra kapcsolt (kapcsolható) rendszerek - Ha a fotovillamos rendszernek a villamos közmű hálózatra való kapcsolása lehetséges, akkor egyen-váltó átalakító (AC/DC inverter) alkalmazása szükséges . Kereskedelmi forgalomban kapható. Hálózatra kapcsolt rendszer számára saját tároló nem szükséges, mert ha nincs saját termelés, akkor a hálózatról vehető áram (óra: előre ill. visszafelé forog, vagy két fogyasztásmérő).

22. Alkalmazások épületszerkezetekbe integrálva és kollektorként A fotovillamos modulok külön állványzata, vagy tartószerkezete és azok helyszükséglete megtakaritható az integrált és a kombinált megoldásokkal. A főbb megoldási változatok a következők. a) Tetőcserép felületére felragasztott amorf szilicium cellák. b) Tetőfedő elemként kiképzett fotovillamos modulok. c) Homlokzati üveg-boritó elemekbe integrált fotovillamos cellák. d) Vizes kollektorral kombinált fotovillamos rendszer.

23. Energiatárolás • Akkumulátoros • Víztározó • Hidrogéntechnológia

24. A fontosabb akkumulátor tipusok a következők. a) A savas-ólom akkumulátor Előnye: - kis belső ellenállás, - jól tartja a töltést, - relative olcsó. Hátránya: - alacsony a töltő árama, - teljes lemerülés esetén tönkremehet, - túltöltés ellen védeni kell, - élettartama végén: veszélyes hulladék.

25. b) A NiCd /nikkel-kadmium/ akkumulátor a kereskedelemben már kapható. • Előnye:- hosszú élettartam, sok ciklus, • - nem érzékeny a túltöltésre, • nagy a töltő árama 115 perc alatt feltölthető , • - jó mechanikai szilárdságú, nem igényel gondozást. • Hátránya: - Wh hatásfoka kisebb mint a a savasé • - drágább, • - 10-50 % töltésveszteség havonta.

26. c) NaS (): General Motors alkalmazza pl. villamos autókhoz /1 töltéssel megtehetőtávolság 430 km, max. sebesség 120 km/h/. d) ZnCl (cink-klorid) : kisérleti stádiumban van. e) Al-levegő : kisérleti stádiumban van. f) Lithium-Polimer akkumulátor

27. Kisérleti tárolók: Berlin (1987), savas-ólom: 8,5 MWh Osaka: 1 MWh USA California (Chino): 10 MWh kisérleti ZnCI: 2 MWh Alaszka (1995): 1,4 MWh (Metakatla P.2.L.) Los Angeles (1997): 3,5 MWh (6NB T.) Puerto-Rico (1997): 20 MWh (2000): 20 MWh (PREPA

30. Tüzelőanyag cellák

31. Alapelv A rendezetlenségre vezető égés kiküszöbölésével a kémiai energia közvetlen villamos energiává való átalakítása lényegesen jobb átalakítási hatásfok elérését teszi lehetővé. Feltalálók: - Davy (1801) - Grove (1839) H2 + O2 -> áram Az 1950-es évektől kezdve nőtt meg az érdeklődés a tüzelőanyag cellák iránt, ennek okai: - űrhajózás - levegőt nem szennyező erőművek és járművek

32. A tüzelőanyag cellák típusai A tüzelőanyag cellák hidrogént oxidálnak katalitikus elektrokémiai folyamat során. A felhasznált elektrolit jellege szerint különböző típusú tüzelőanyag cellákat fejlesztettek ki: - lúgos (AFC) - savas (PAFC) - olvadó karbonátos (MCFC) - szilárd oxid (SOFC) - szilárd polimer (PEM) - közvetlen metanol (DMFC) - mikroorganikus, biokémiai

33. A tüzelőanyag cellák működése • Cél: annak megakadályozása, hogy az oxidáció során a tüzelőanyag molekuláiból az elektronok az oxidálószerbe közvetlenül átjuthassanak. • Felépítés: anód - elektrolit - katód

34. A tüzelőanyag-cellás erőművek alrendszerei • Tüzelőanyag előkészítés • Energia-átalakító • Inverter

35. A tüzelőanyag cellák előnyei • Környezetbarát energiatermelés, járművekben való alkalmazást tesz lehetővé • Zajtalan • Rövid idő alatt létesíthető (1-1,5 év) • Gyors indítás és kis holtidejű terhelésváltás • Megújuló energiaforrásokkal kompatíbilis • Igen jó hatásfokú, kapcsolt energiatermelésre alkalmas • Biomassza hasznosítására, elgázosított szénfelhasználására alkalmas • 1 MW teljesítményig készíthető hordozható kivitelben

36. Kilátások a jövőbeli alkalmazásokra • Hordozható eszközök (mobiltelefon, PDA, laptop) • Járművek • Erőművek

38. A fotovillamos rendszerek hibrid és kombinált alkalmazási lehetőségei. Készítette: Jung Gergely

39. A hibrid rendszerek • Többféle forrásból egyféle energiát állítunk elő. • szél és/vagy napenergiából (az időjárás függvényében) villamos energia. • Diesel + napenergia -> villamos energia

40. Kapcsolt vagy kombinált rendszerek • A kombinált rendszerekben egy forrást többféle energia előállítására hasznosítjuk. • Kombinált rendszer: napenergiából fotovillamoság és hő nyerése egyidejűleg, egy speciális kombinált berendezés segítségével. • Létezik hibrid-kombinált rendszer is.

44. Napelemek, szélturbinák, hibrid rendszerekvillamosenergia termelésére

45. A Hybrid Photovoltaic-Diesel PowerGeneration System for Miyako Island

46. The photovoltaic array generated excess power over the months from June to September. Seen cumulatively, the photovoltaic panels generated a respectable 80% of the totalpower produced over the two years, with the diesel generator responsible for the remaining 20%. Hybrid photovoltaic systems offer a clean alternative to diesel power generation for islands and mountainous regions isolated from the commercial power grid. Further efficiency and cost improvements will be needed for these systems to enter wide use.

49. A decentralizált energiaellátás ígéretes új eszköze a termo-fotovillamos generátor • A napsugárzás energiáját villamos energiává alakító fotovillamoscella – félvezető dióda – a környezetkímélő villamos energiatermelés fontos új eszköze, amely a beeső fotonok energiáját felhasználva szabad elektronokat – és ezáltal villamos egyenáramot – hoz létre. • A szolár-fotovillamos energia-átalakító hatékonysága jelentősen függ acellaanyag spektrumérzékenységétől. A különböző cellaanyagok (pl. a kristályos és az amorf szilícium, a GaAs, a CdS, a Cu2S) spektrumérzékenysége és hatásfoka is eltérő: 8...30% közötti • A szolár-fotovillamos cella üzemi hőmérsékletének csökkentésével a hatásfok javul. • Ennek egyik reális módja a fotovillamos-termikus kombinált rendszer alkalmazása:a cella a vizes kollektor abszorberére szerelve hűthető, az elvont hő pedig melegvíz-termelésre hasznosítható. A többrétegű (vékonyrétegű) cellák szélesebb spektrumérzékenysége a hatásfok javítását és a költségek csökkentését teszi lehetővé.

50. komoly problémát jelent a napsugárzás viszonylag kis energia-áramsűrűsége miatt nagy cellafelület alkalmazása ellentételként a koncentrátor költsége másik probléma: a napsugárzás szünet-szakaszaiban (éjszaka, borult időben és a téli időszakban általában) az energiaellátás csak villamos energiatároló, vagy segéd-energiaforrás alkalmazásával oldható meg, ha a rendszer autonóm és nem hálózatra kapcsolt üzemű Ennek ellensúlyozására, a cellára beeső sugárzás koncentrálása ad lehetőséget (pl. tükröző oldalfelületű kollektor, vonalfókuszos, vagy pontfókuszos Fresnel típusú elem, fluoreszcens koncentrátor alkalmazása Problémák