Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű

Átírás

1

2 Készítette: Petrikó László - tanársegéd SZE Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék Galambos Róbert - tervező Elektromentor Kft.

3 KEOP-5.3.0/B/ : A győri Széchenyi István Egyetem, Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézetének, energetikai fejlesztése, fűtési rendszerének szabályozhatóvá tétele, elektromos fejlesztése, megújuló energia felhasználásával KEOP-5.3.0/B/ : A győri, Széchenyi István Egyetem, Baross Gábor Építési és Közlekedési Intézetének, energetikai fejlesztése, fűtési rendszerének leválasztása és szabályozhatóvá tétele, elektromos fejlesztése, megújuló energia felhasználásával

4 A projektet záró sajtóközlemény május 20. Energetikai fejlesztés a Széchenyi István Egyetemen: Korszerűsítették a Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézet épületét. Befejeződött az energetikai beruházás a Széchenyi István Egyetemen. A Környezet és Energia Operatív Program keretében az Európai Unió és magyar állam támogatásával felújították az intézmény Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézetének épületét. A projekt keretében többek között az épületek fűtés szabályozottsága növekedett, új hő-és víz-szigetelés került kiépítésre az épületeken, és kicserélték a nyílászárókat. A beruházás keretében fotovoltaikusnapelem-és napkollektor-park került kiépítésre.

5 A projektet záró sajtóközlemény A Széchenyi István Egyetem Jedlik Ányos Intézete pillérvázas, vasbeton épület 40 évvel ezelőtti technológiával, az akkori előírásoknak megfelelő színvonalon készült. A megnövekedett energiaárak és a vasbeton szerkezet elhasználódottságamiatt szükségszerűvé vált az épület felújítása, és teljes energetikai korszerűsítése. A beruházás több mint 540 millió forintba került, amelynek 92,53 százalékát pályázati forrásból fedezték. A győri Széchenyi István Egyetem, Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézetének energetikai fejlesztése, fűtési rendszerének leválasztása és szabályozhatóvá tétele, elektromos fejlesztése megújuló energia felhasználásával című, KEOP-5.3.0/B/ azonosítószámú projekt keretében a beruházás az Európai Unió és a magyar állam támogatásával valósult meg a júniustól májusig terjedő időszakban.

6 A projektet záró sajtóközlemény A fejlesztés során megtörtént a homlokzat és a tető szigetelése, valamint kicserélték az épület nyílászáróit. Az épület fűtési rendszerének primer és szekunder része kialakítását tekintve alapjaiban nem változott, azonban az építészeti átalakítás által érintett homlokzati fal elbontása helyén lévő korszerűtlen bordás csőradiátorokat elsősorban a közlekedőterekben szabályozható lapradiátorokra cserélték. Az új radiátorokat ez idáig hiányzó, visszatérő torlószelepekkel és termosztatikus szabályozószelepekkel szerelték fel. Az intézmény fűtési rendszere szárnyanként észak-déli tájolás szerint leválasztott, az egyes köröket időjárás-követő automatikával és hőmérséklethatárolással látták el. A fejlesztés során az intézet világítási rendszerének részleges szabályozását a folyosókon mozgásérzékelők felszerelésével oldották meg.

7 A projektet záró sajtóközlemény A fűtési rendszerből származó költségmegtakarítás nem biztosítja a forrásgazda által elvárt megtérülési mutatókat, ezért az elektromos energia egy részét megújuló forrásúra cserélték. Ennek keretén belül egy három alrendszerből álló, összesen 330 kw teljesítményű inverteresnapelem-rendszert, úgynevezett Napelemes kiserőművet hoztak létre a beruházás keretében. E kiserőmű első alrendszere a Laboratóriumi épület tetejére, második alrendszere a Jedlik Intézet, harmadik alrendszere a Baross Intézet déli homlokzatára, illetve az épületek ferde árnyékolóira került feltelepítésre.

8 A projektet záró sajtóközlemény A KEOP-5.3.0/B/ azonosítószámú projekt keretén belül a Jedlik Intézet BC, CD, D tornyaira összesen 126 db napelemet helyeztek el, amely 194 m 2 napelem-felületet jelent, a C és D épület homlokzataira összesen 210 db napelem került fel, amely 344 m 2 napelem-felületet jelent. A Laborépület tetején 1040 db napelem került elhelyezésre, 1706 m 2 területen, amelyek által megtermelt energiamennyiség 50%-a a Jedlik Intézet alrendszeréhez tartozik. A Napelemes kiserőmű e két alrendszere a napenergia felhasználásával megtermelt villamos energia egy részét a Jedlik Intézet elektromos hálózatába termeli, ezzel kiváltva a vásárolt elektromos áram egy részét.

9 A projektet záró sajtóközlemény Mindegyik alrendszer rendelkezik egy belső almérővel, amely a rendszerek pillanatnyi teljesítményét és a megtermelt energiát külön-külön méri. A megtermelt energiamennyiség egy webes felületen leolvasható, valamint az egyetemet látogatók számára egy digitális felületen is nyomon követhető az Új Tudástér épület aulájában. A digitális kijelző a pillanatnyi teljesítményt, a napi, heti és az összesen megtermelt energiamennyiségeket, továbbá a kiváltott CO 2, barnaszén, olaj tonna ekvivalens mennyiségek adatait is megjeleníti. A Napelemes kiserőmű által megtermelt energia mennyisége az időjárási viszonyoktól függ. Elmondható, hogy a beüzemelésétől számított 12 nap alatt az Jedlik Intézet alrendszere 1677 kwh, a Laborépület alrendszere kwh mennyiséget termelt.

10 A projektet záró sajtóközlemény A tanulmányi épületre telepített napelemek nem csak energiatermelési funkcióval rendelkeznek, hanem esztétikai és komfortnövelési értékkel is bírnak, mivel a toronyépületekre függőlegesen telepített, barna színű, amorf Sitípusú, vékonyréteg napelemek díszítő elemként is funkcionálnak, a déli homlokzat tantermeinek szemöldökére telepített, kék színű, polikristályos technológiájú napelemek pedig árnyékolási funkciót is betöltenek, csökkentve az épület nyári hőterhelését. Az egyetemen létrejött Napelemes kiserőmű országos jelentőségű létesítmény, a jelenleg működő napelemes rendszerek között a mérete és a teljesítménye (330 kw) alapján az első 6 legnagyobb rendszer között foglal helyet. Ha a napelemek építészeti-esztétikai és funkcionális elemként való másodlagos felhasználást is alapul vesszük, akkor kijelenthető, hogy a győri a jelenleg legnagyobb komplex Napelemes kiserőmű Magyarországon.

11 A projektet záró sajtóközlemény A beruházás megtérülése és a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkentése érdekében a projektben megvalósításra került az épület használati melegvízhőigényét szolgáló 48 db napkollektorból álló, 110 m 2 területen elhelyezkedő napkollektoros rendszer is. A beruházás megújuló energiaköltség-része a projekt összköltségének 25 százalékát tette ki, és a fejlesztés megvalósításával mintegy évi 30 millió forintos költségmegtakarítás várható. A projekt megvalósításával az egyetem hozzájárul a környezeti fenntarthatóság biztosításához, a közvetlen környezet, a levegő tisztaságának védelméhez, globális értelemben véve pedig az üvegházhatású gázok kibocsátásának mérsékléséhez. A projekt egyfajta mintaprojektként is kívánja szolgálni a régió további környezetvédelmi beruházásait.

12 A projektet záró sajtóközlemény Széchenyi István Egyetem Lipi László, műszaki ellátási és fejlesztési igazgató 9026 Győr, Egyetem tér 1. tel.: 06-96/

13 A támogatott tevékenységek közé tartozott még többek között a tanulmányi épület nyílászáróinak cseréje és homlokzatának felújítása, szigetelése, a fűtési rendszer korszerűsítése stb. A prezentáció témája a pályázati támogatást elnyert tevékenységek közül csak a napelemes kiserőmű kialakítása.

14 A fotovillamoseffektus felfedezésének és eddigi hasznosításának rövid története: 1839: Alexandre-Edmond Becquerel (F) első kísérletei AgCl és AgBr bevonatú Pt-elektródákkal 1860: WilloughbySmith (GB) felfedezi, hogy a Se máshogy vezeti az áramot világosban, mint sötétben (fotokonduktivitás) 1870: Heinrich Hertz (D) Se-bevonatú fotovoltaikuscelláinak hatásfoka 1-2% 1883: Charles Fritts(USA) elkészíti az első napelemet: aranyfilmmel bevont vékony szelénréteg 1904: Wilhelm Hallwachs(D) felfedezi a külső fotovillamos jelenséget (elektrolitba mártott Cués Cu 2 O elektródák között fény hatására elektromos feszültség jön létre (Hallwachs-jelenség)

15 A fotovillamoseffektus felfedezésének és eddigi hasznosításának rövid története: 1905: Albert Einstein (D) elsőként publikálja a fotovillamosjelenség kvantummechanikai alapjait (foton) 1918: Jan Czochralski(PL) létrehozza az első fém monokristályt(1 mm átmérő mellett akár 1,50 m hosszúsággal) 1939: Russel ShoemakerOhl(USA) felfedezi a félvezetők működésének alapját képező P-N átmenetet (P-N Junction) 1948: Gordon Teal és John Little (USA) a Czochralski-eljárásra alapozva megalkotja az első Ge-monokristályt(később Si-mk.-t is) 1955: az első napelem (napcella) megjelenése a piacon (ár 25 $; határfok 2%; gyártó: Hoffman Electronics Semiconductor Div. - USA) 1957: Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapinés Calvin S. Fuller(USA) szabadalmaztatja a félvezetőn alapuló napelemet (solar battery)

16 A fotovillamoseffektus felfedezésének és eddigi hasznosításának rövid története: 1958: WanguardI az első napelemes műhold (0,1 W; 100 cm 2 ) 1968: az első napelemes karóra 1970: Zsoresz I. Alfjorov(SzU) és csapata a félvezető heterostruktúrákvizsgálata során megalkotja az első nagyhatékonyságú GaAs napelemet : Honda-Fujishima(J) jelenség felfedezése ill. publikálása (víz fotokatalitikusbontása H 2 és O 2 molekulákra TiO 2 nanokristályos vékonyréteg segítségével 1971: Szaljut 1 űrállomás (SzU) 28 m 2 napelem 1973: Skylabűrállomás (USA) /az első fellövéskor az egyik napelemtábla leszakadt/ 1977: a globális napelemtermelés meghaladja az 500 kw P teljesítményt 2007: University of Delaware: 42,8% hatásfokú napelem

17 A legnagyobb működő napelemparkok a világon: Topaz Solar Farm (California, USA) Terület: 2500 ha Beépített teljesítmény: 550 MW P Évente megtermelt villamos energia: 1100 GWh Üzembe helyezés éve: 2014 Építési költség: pontosan nem ismert (több milliárd $)

18 A legnagyobb működő napelemparkok a világon: Agua Caliente Solar Project (Arizona, USA) Terület: 971 ha Beépített teljesítmény: 290 MW P Évente megtermelt villamos energia: 626 GWh Üzembe helyezés éve: 2012 Építési költség: 1,8 milliárd $ /~500 mrd Ft/

19 A legnagyobb működő napelemparkok a világon: Huanghe Hydropower Golmud Solar Park (Kína) Terület: 564 ha Beépített teljesítmény: 200 MW P Évente megtermelt villamos energia: 317 GWh Üzembe helyezés éve: 2011 Építési költség: 3,26 milliárd RMB (Jüan Renminbi)/ ~144 mrd Ft

20 A legnagyobb működő napelemparkok Európában: Olmedilla(Spanyolország) Beépített teljesítmény: 60 MW P Évente megtermelt villamos energia: 87,5 GWh Üzembe helyezés éve: 2008 Építési költség: 384 millió /~115 mrd Ft/

21 A legnagyobb működő napelemparkok Európában: Puertollano(Spanyolország) Beépített teljesítmény: 50 MW P Évente megtermelt villamos energia:? GWh Üzembe helyezés éve: 2008 Építési költség:? millió

22 A legnagyobb működő napelemparkok Európában: Moura(Portugália) Terület: 130 ha Beépített teljesítmény: 32 MW P Évente megtermelt villamos energia: 88 GWh Üzembe helyezés éve: 2010 Építési költség: 250 millió /~75 mrd Ft/

23 A legnagyobb működő napelemparkok Európában: Waldpolenz(Németország) Terület: 120 ha Beépített teljesítmény: 40 MW P Évente megtermelt villamos energia: 40 GWh Üzembe helyezés éve: Építési költség: 130 millió /~39 mrd Ft/

24 Működő napelemparkok Magyarországon: Sasfészek-tó pihenőhely (M1 autópálya; 22,5 km; MOL) Úttörő beruházás, melyet a MOL valósított meg, az autópálya pihenőben működő töltőállomás villamos energia ellátására, és a megújuló energiaforrások népszerűsítésére.

25 Működő napelemparkok Magyarországon: Szegedi Tudományegyetem Beépített teljesítmény: 661 kw P Évente megtermelt villamos energia: 782 MWh Üzembe helyezés éve: 2013 Építési költség: 880 millió Ft

26 Működő napelemparkok Magyarországon: Ópusztaszer-Balástya (Csongrád megye) Terület: ha Beépített teljesítmény: 500 kw P Évente megtermelt villamos energia:? MWh Üzembe helyezés éve: 2013 Építési költség:? millió Ft

27 A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): A fotovillamoshatás (fotoeffektus, fényelektromos jelenség) egy küszöbszintnél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás (pl. látható fény vagy ultraibolya sugárzás) által egy anyag (főleg fém) felszínéből elektronok kiválása. Albert Einstein 1905-ben publikált értekezéséig a fényt elektromágneses hullámnak tekintették, mely viszont a fotovillamosjelenségre nem tudott megnyugtató magyarázatot adni, a következők miatt: -A fénnyel megvilágított fémlemezből kisugárzott elektronok száma függ a megvilágító fény erősségétől (minél erősebb fényt használunk, annál nagyobb). -A kibocsátott elektronok sebessége (energiája) annál nagyobb, minél nagyobb a fény frekvenciája. Ez nem függ a fény intenzitásától. -A fény frekvenciájának el kell érnie egy küszöböt, az alatt a jelenség nem indul be, a fényintenzitástól függetlenül.

28 A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): Ha a fény valóban hullámként viselkedne, akkor nemcsak a kibocsátott elektronok száma, hanem energiája is függene a megvilágító fény intenzitásától. Einstein magyarázata, hogy a fény részecskék (fotonok) folyama. A fotonok a fémben levő elektronoknak átadják energiájukat, így azok kiszakadhatnak az anyagból. A fotonok energiája, a fény frekvenciájával arányos, ahol az arányossági tényező, a Planck-állandó (h = 6,625*10-34 J/s): E = hν A fény intenzitásának növelésével csak a fotonok száma nő, energiájuk nem változik, így a kilépő elektronok energiája sem kell, hogy nagyobb legyen. A nagyobb frekvenciájú fényben levő fotonoknak viszont az energiája is nagyobb, így több energiát adnak a gerjesztett elektronoknak. Ez a két megállapítás magyarázza a jelenség első két pontját.

29 A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): Arra, hogy a fény frekvenciájának el kell érnie egy küszöböt, az alatt a jelenség a fény intenzitásától függetlenül -nem indul be, az a magyarázat, hogy a kötött elektronnak bizonyos minimális energiára van szüksége ahhoz, hogy szabaddá válhasson. Mivel az elektron az atomban nem vehet fel tetszőleges energiaszintet, a szabaddá válásához egy elég nagy energiájú fotontól kell ezt kapnia. A hν = hν 0 + ½mv 2 képlet alapján a belépő foton energiája egyrészt az elektron felszabadítására fordítódik, a maradék pedig az elektron mozgási energiája lesz. A képletben ν 0 az a bizonyos határfrekvencia, ami a jelenség beindulásához szükséges.

30 A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): A fotonok a félvezető atomjainak vegyértékelektronjait gerjesztik úgy, hogy azok átlépjenek a vegyértéksávból a vezetési sávba. A gerjesztéshez szükséges energia az anyagra jellemző tiltott sáv energiájával egyenlő. Azután, hogy egy elektron a vezetési sávba kerül, már részt vehet elektromos áram vezetésében, de ettől még nem alakul ki áram, mert a gerjesztett elektronok haladási iránya véletlenszerű, irányítani kell őket valahogy. Ellenkező esetben befoghatja őket egy olyan pozitív töltésű lyuk, ami egy másik elektron gerjesztésével jött létre (rekombináció). A különböző módon szennyezett félvezetők párosítása (Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapinés Calvin S. Fuller) olyan p-n átmenetet hoz létre az anyagban, ami önmagában is biztosítja a szükséges villamos mezőt. Napjainkban a napelemek többnyire a p-n átmenetre épülve készülnek.

31 A napelemek működési elve (félvezetők): A napelemek anyaga leggyakrabban szilícium. A szilícium kristályrácsában minden atom kovalens kötéssel kapcsolódik négy szomszédjához. A szilícium rendszáma 14. Az elektronhéjon elhelyezkedő 14 elektronból tíz a maghoz erősen kötődik és normális hőmérsékleti viszonyok között nem vesz részt a villamos vezetésben. A szilícium négy külső vegyértékelektronja a vegyértéksáv lehetséges energiaszintjeit tölti be. A vezetési sáv kis hőmérsékleten teljesen üres, az anyag tökéletes szigetelőként viselkedik. Az abszolút nulla fölötti hőmérsékleten a vegyértékelektronok energiája nő, az elektronok átléphetnek a vezetési sávba és úgynevezett belső töltéshordozóként viselkedhetnek.

32 A napelemek működési elve (félvezetők): 300 K hőmérsékleten a tiszta szilícium nagyon jó szigetelő, az adalékolatlan (intrinsic) töltéshordozók száma 1,6-1,7/mm 3, ami jóval kevesebb, mint a fémekben szokásos /mm 3 töltéshordozó. A vezetési sáv és vegyértéksáv közötti tiltott sáv szobahőmérsékleten a szilíciumban 1,12 ev. A vezetési tulajdonságok módosításához a szilíciumot kis mennyiségű, ellenőrzötten bevitt szennyezővel kell módosítani. A szilícium a periódusos rendszer IV. oszlopában helyezkedik el. A III. csoportba (bór, alumínium, gallium, indium) vagy az V. csoportba (foszfor, arzén, antimon) tartozó elemek bevitelével növelhető és pontosan szabályozható a vezetési sávban lévő elektronok vagy vegyértéksávbeli lyukak (elektronhiány) száma.

33 A napelemek működési elve (félvezetők): Az V. csoportbeli elem bevitele esetén a kovalens kötés feltöltése után egy lazán kötött elektron marad, ami körülbelül mevenergiával átvihető a vezetési sávba (n típusú vezetés). A III. csoport elemeivel végzett szennyezés estén a kovalens kötés elektronhiányos marad, lyuk keletkezik. A vegyértéksáv egy elektronja beugorhat erre az üres helyre és feltöltheti a kötést. A hatást tekintve ilyenkor a lyuk vándorol, mert a kötésbe beugró elektron helyén ismét visszamarad egy lyuk (p típusú vezetés). A lyuk továbbviteléhez a vegyértéksávban mevenergia szükséges. A p típusú és az n típusú félvezető szilícium réteg találkozásánál kialakul a p-n határréteg.

34 A napelemek működési elve (félvezetők): A határréteg keletkezésének pillanatában az elektronok koncentrációja az n rétegben nagyobb, a lyukak koncentrációja viszont a p rétegben nagyobb. A töltéshordozók koncentrációjában kialakult nagy különbség kezdeti diffúziós áramot hoz létre, az n tartományból elektronok áramlanak a p tartományba, a p tartományból lyukak lépnek át az n típusú részbe. Ez a töltésáramlás a p-n átmenetben egy kiürített réteget hoz létre, a kiürített rétegből hiányoznak a többségi töltéshordozók, vagyis az n rétegből hiányoznak az elektronok, a p rétegből pedig hiányoznak a lyukak.

35 A napelemek működési elve (félvezetők):

36 A napelemek működési elve (félvezetők): A kiürített rétegben lévő rögzített donor és akceptor szennyező ionokat többé már nem egyensúlyozzák ki a korábban ott lévő szabad töltések. Ennek eredményeként létrejön egy belső villamos erőtér, amely a továbbiakban megakadályozza az n tartományból az elektronok, illetve a p tartományból a lyukak áramlását. Ezzel kialakul a záróréteg. Az erőtér nagysága pontosan akkora, amekkora kiegyensúlyozza a többségi töltéshordozók diffúzióval létrejövő áramlását.

37 A napelemek működési elve (félvezetők): A határréteg környezetéből hiányoznak a többségi töltéshordozók és a villamos erőtérben kialakul egy tértöltési réteg. Külső villamos erőtér (potenciálkülönbség) nélkül a kiürített rétegben nem folyik áram. A p és n típusú térfél külső felületén kialakított kivezetésekkel létrejön a félvezető rétegdióda. A p típusú szennyezést tartalmazó oldalra kapcsolt pozitívabb feszültség hatására a határrétegen keresztül megindul az áram, ellentétes polaritás esetén a kiürített réteg szélessége tovább nő és áram nem folyik. A NAPELEM MŰKÖDÉSÉNEK ALAPJA ÉPPEN A DIÓDA EGYENIRÁNYÍTÓ HATÁSÁBAN REJLIK.

38 A napelemek működési elve (fotovillamoshatás a félvezetőkben): Fény hatására a napelem fotonokat nyel el. A fotonok elektronokat ütnek ki a kristályrács kötéseibe, ezáltal mozgásképes töltéshordozók keletkeznek. A kiütött elektronok helyén pozitív töltésű ún. lyukak keletkeznek. A kristályrácsban kötött elektronok elnyelik a ʋfrekvenciájú energiakvantumot, és ha annak h*ʋenergiája nagyobb, mint az elektron kötési energiája, akkor a különbözet a fotoelektron mozgási energiájában jelentkezik.

39 A napelemek működési elve (fotovillamoshatás a félvezetőkben): A folyamatot az alábbi egyenlet írja le: h*ʋ = A + 1 / 2 m*v 2 ahol: h: Planck-állandó (6,625*10-34 J/s) ʋ: frekvencia [1/s] A: az elektron kilépési munkája (kötési energia) [J] m: az elektron tömege [kg] v: az elektron sebessége [m/s]

40 A napelemek működési elve (fotovillamoshatás a félvezetőkben): A mozgásképes töltött részecskékből így felesleg jön létre. Ezek az elektronok az 'n' oldali kontaktuson keresztül a külső áramkörön át a szolárcella'p' oldali fémkontaktusához vándorolnak, ahol a 'p' dotált kristályrácsban egy szabad helyet (lyukat) elfoglalnak. Ez azt jelenti, hogy a szolárcellánbelül a 'p' dotált tartományhoz vándorolt lyukak rekombinálódnak. Ideális esetben a ciklus a töltéshordozó párok generatiójátóla rekombinációig terjed. A cella addig működik, amíg a beeső fény hullámhossza és energiasűrűsége a fotoeffektust kiváltja. A napelem (szolárcella, fotovoltaik) mindig egyenáramot állít elő, amit vagy közvetlenül tárolnak és hasznosítanak vagy átalakítják váltakozó árammá, és úgy hasznosítják.

41 A napelemek gyakorlati kialakítása: Si monokristály A Czochralski-eljárással készítenek egykristályos szilíciumot, amit különböző adalékokkal szennyezhetnek is. Nagyjából mikrométer vastag szeletet (wafer) vágnak ki belőle. Sajnos az így kapott szilícium keresztmetszete nem szögletes, így nem jól fedi le a négyzetes napelem cellát. Hatásfok 18-25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napcellák esetében). Viszonylag költséges az előállítása.

42 A napelemek gyakorlati kialakítása: Si polikristály Olvasztott szilíciumot megfelelő ütemezéssel lehűtve, megszilárdítva multikristályos anyagot kapunk, aminek az előállítása olcsóbb, viszont napelemek készítésére kevésbé hatékony, a szemcseszemcsehatárok ugyanis helyi rekombinációs régiókat hoznak létre, blokkolják az elektronok haladási útját. A kisebb anyagveszteség miatt megéri az olvasztott szilíciumot előbb film vastagságúra kinyújtani, és így megszilárdítani, az így kapott szalagnak (ribbon) azonban még kisebb a hatékonysága. Hatásfok kb. 15%, az előállítása olcsóbb a monokristályos cellánál.

43 A napelemek gyakorlati kialakítása: Si polikristály Napelem gyártásakor az általában p-típusú(pl. bórral szennyezett) nyers szilícium lemezt n-típusúatomokat (pl. foszfor) tartalmazó légkörben hevítve a szilícium felületén n-típusúréteg alakul ki, ahogy a foszfor beépül a kristályrácsba (Solidstatediffusion). Ezt további feldolgozás során úgy alakítják át, hogy a lemez aljára fémbevonat kerül, ez a p-szilíciumhozkapcsolódik, a tetején található egy vékony n-réteg, amire csíkokban fémet visznek fel. A lemez alján és tetején levő fém lesz a napelem cella pozitív és negatív kivezetése.

44 A napelemek gyakorlati kialakítása: Amorf (nem kristályos) Si-napelem Aktív réteg 1-2 mikron. Hatásfoka 4-8%, élettartama kb. 10 év. Olcsó az előállítása, a szórt fényt a Si-kristályosnapelemeknél jobban hasznosítja.

45 A napelemek gyakorlati kialakítása: CdTe vékonyfilm Cadmium-tellurid(CdTe) filmet is használnak napelemek készítésére. Ennek a tiltott sávja (1,5 ev) jól illeszkedik a Napból érkező fotonok frekvencia eloszlásához, és így ár-érték arányban a szilícium versenytársa lett az utóbbi időben. A kadmium használata azonban környezetvédelmi aggályokat kelt toxikus hatása miatt, de normál körülmények között nem szabadul ki a cellából, sőt egy négyzetméter CdTefilmben csak nagyjából annyi a kadmium, mint egy NiCdelemben.

46 A napelemek gyakorlati kialakítása: CIGS vékonyfilm Rézből, indiumból, galliumból és szelénből álló vegyület félvezetők, tiltott sávja 1,0 ev és 1,7 ev közé állítható be a gallium arányának módosításával. Csaknem 20%-os hatásfokot értek el segítségével. Vákuumtechnikai eljárással készül, jelenleg vákuumtechnológiát nem igénylő gyártási eljárásokkal kísérleteznek.

47 A napelemek gyakorlati kialakítása: GaAs vékonyfilm Gallium-arzenidaz alapja a ma használatos leghatékonyabb megoldásoknak. Gyakran több rétegű (multijunction) megoldásokban használják. Ennek lényege, hogy több rétegben visznek fel egymásra olyan félvezetőket, amik a különböző tiltott sávokalapján a Napból érkező fény spektrumának más-más részére reagálnak, így nagyobb részt hasznosítanak belőle. Egy háromrétegű megoldás használhat pl. Galliumarzenidet(GaAs), Germániumot és Gallium-Indium-foszfidot(GaInP2). Egyrétegű GaAsfélvezetővel 25,8%-os hatásfokot sikerült elérni 2008-ban a holland Radbound University Nijmegen-ben. Többrétegű GaAsalapú megoldások akár 40%-nál nagyobb hatásfokot is el tudnak érni, de előállításuk nagyon drága, emiatt először az űrtechnikában jelentek meg.

48 A napelemek gyakorlati kialakítása: Szerves polimer félvezetők A viszonylag új technológia organikus polimerek és kisebb organikus molekulák fotovoltaikushatásaira épül. Ezek előállítási költsége nagy mennyiségben alacsony, jól alakíthatóak, nem károsítják a környezetet, cserébe viszont élettartamuk rövidebb, és kevésbé hatékonyak, mint a nem organikus megoldások. A polimerekben a fotonok hatására erősen kötött elektron-lyuk párok, excitonok jönnek létre. Az excitonoka donorfelület határán szétválhatnak, ahol az elektron a fogadó felület alacsonyabb energiájú vezetési sávjába áramolhat.

49 A napelemek gyakorlati kialakítása: Kutatási irányok A kutatások egy része a mai napelemek hatékonyságának növelésére, a gyártási költségek csökkentésére irányul, egyes cégek/egyetemek viszont teljesen új jelenségeket fedeznek fel, és ültetnek el a köztudatba. Olyan egyszerű megoldások is születnek, amik a kereskedelemben kapható napelemek hatékonyságát próbálják javítani azzal, hogy különböző anyagokkal vonják be a napelem felületét ezzel csökkentve pl. a felület tükröződését. Mások, szintén a felület módosításával olyan cellákat készítenek, amik ahelyett, hogy délben adnák le a legnagyobb teljesítményt, inkább akkor működnek jól, amikor a fény laposabb szögben érkezik, így naponta kétszer is csúcsra tudják járatni a napelemeket.

50 A napelemek gyakorlati alkalmazása - szigetüzem: A napelem-rendszer működhet szigetüzemben, amikor nem csatlakozik a közüzemi villamos hálózathoz. Ebben az esetben, amikor a termelés meghaladja a fogyasztást, a fogyasztó által a fel nem használt fölösleg egyenáramú akkumulátorban tárolódik. Amikor a termelés nem éri el a fogyasztás mértékét, a különbözetet feltöltöttsége függvényében az akkumulátor pótolja. Váltakozó áramú fogyasztás (pl. 1~ 230 V, 50 Hz) esetén a megtermelt és/vagy tárolt egyenáramot invertersegítségével a kívánt paraméterű váltakozó árammá kell alakítani. Az akkumulátorok hátrányos tulajdonságai (magas ár, rövid élettartam, környezetkárosító hatás) a szigetüzem csak abban az esetben javasolt, ha a közüzemi hálózat nem áll rendelkezésre.

51 A napelemek gyakorlati alkalmazása hálózatra csatlakoztatott üzem: A napelem-rendszer csatlakozhat a közüzemi villamos hálózathoz. A fogyasztásmérő ebben az esetben mind a fogyasztás, mind a hálózatra visszatáplálás mennyiségét méri. Az elszámolás a különbözet alapján történik évente. 50 kvaalatti teljesítményű rendszer a szolgáltató engedélyével és a mérőeszköz megfelelő cseréjével a hálózatra csatlakoztatható. 50 kvafölötti teljesítmény esetén a berendezés a hatályos jogi szabályozás értelmében kiserőmű besorolású, melyre szigorúbb elbírálási kritériumok vonatkoznak. Hálózatra csatlakoztatott üzemben nincs szükség akkumulátorokra.

52 SZE előzményei motor járatópad: A Széchenyi István Egyetem Belső Égésű Motorok Tanszékén ben helyezték üzembe a motor járató melegteszt-padot. A tesztpad különböző algoritmusok alapján a belső égésű motorok közúti járművekben történő viselkedését szimulálja, miközben a motor leadott teljesítményét, nyomatékát, fordulatszámát, üzemanyag-fogyasztását, rezgését, kopását stb. folyamatosan mérik, és regisztrálják. A motor hajtott tengelyén kinyert hasznos teljesítményt mely a jármű mozgatására fordítódna egy villamos gép alakítja generátor üzemben elektromos teljesítménnyé. A villamos gép felharmonikusokkal erősen szennyezett váltakozó áramot állít elő.

53 SZE előzményei motor járatópad: A motorjárató tesztpad (villamos gép) főbb paraméterei: Feszültség generátor üzemben: V ± 10% Frekvencia: 50/60 Hz ± 1% Névleges teljesítmény generátor üzemben: 350 kw A felharmonikusokkalszennyezettség miatt a megtermelt villamos energia az előállított feszültségszinten nem használható fel. Fel kell transzformálni 10 kv-ra, majd vissza 0,4 kv-ra.

54 SZE előzményei motor járatópad: A tesztpad üzeme időben nem tervezhető, ezért az általa termelt energiát az Áramszolgáltató nem tudja átvenni. A fékpad üzeméhez azzal a feltétellel járult hozzá, ha az Egyetem hálózatából az Elosztói hálózat felé nem folyik energia. Ezt a feltételt a 10 kv-os elosztó mérőmezőjére telepített SEPAM készülék által biztosított VisszWatt védelemmel oldották meg. A védelem az energiavételézésnullához közelítése esetén előjelzést ad a fékpad PUMA irányítórendszerének, majd a tendencia folytatódása esetén kioldást ad a fékpad inverterétmegtápláló transzformátor leágazó megszakítójának.

55 SZE előzményei VisszWatt védelem: Az Egyetem hálózatában működési prioritása van a fékpadnak. Ha az energiavételezés lecsökken, először a napelem egységeket kell lekapcsolni, csak utána lehet a fékpadot leállítani. Ennek megoldására egy ZELIO vezérlő került a rendszerbe, amely a VisszWattvédelem előjelzésére a kisebb egységektől kezdve a nagyobbakig sorban lekapcsolja a napelem telepeket, majd ha továbbra is szükséges, előjelzést ad a fékpadnak. A VisszWatt védelem kioldó jelére továbbra is kiold a fékpad invertert megtápláló transzformátor primer oldali megszakítója, illetve lekapcsolnak az inverterek csatlakozó szekrényei is.

56 SZE előzményei VisszWatt védelem: A lekapcsolás után a vezérlés előre beállított pár perces várakozás után megpróbálja a csatlakozó szekrényeket visszakapcsolni a hálózatba. Amennyiben az Egyetem által használt energia meghaladja a megtermelt energia mennyiségét, a vezérlés automatikusan visszakapcsolja a csatlakozó szekrényeket. Az invertereka lekapcsolást feszültség kimaradásként értelmezik, és leválasztják a napelemeket a hálózatról. Amennyiben vészeseti lekapcsolás történik (pl. tűz esetén), az inverterekszintén a feszültség eltűnését érzékelik és lekapcsolnak. Így a napelem rendszerek külön tűzvédelmi lekapcsolására nincs szükség. A napelemek és inverterekközötti vezetékszakasz viszont feszültség alatt marad ( V DC)!!!