A NAPELEMEK FIZIKAI JELLEMZŐINEK MÉRÉSE ÉS SZÁMÍTÓGÉPES KIÉRTÉKELÉSE

Átírás

1 A NAPELEMEK FIZIKAI JELLEMZŐINEK MÉRÉSE ÉS SZÁMÍTÓGÉPES KIÉRTÉKELÉSE Varga Andrea Óbudai Egyetem, Alkalmazott Informatikai Doktori Iskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar, Villamosenergetikai Intézet KULCSSZAVAK napelemek fizikai jellemzői, mérési módszerek, számítástechnika alkalmazása Összefoglalás 2013-ban került átadásra az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karán, a megújuló energiaforrások oktatására és kutatására kialakított laboratórium. A kutatólaboratóriumban a napelemek fizikai jellemzőinek egy lehetséges mérési eljárását fejlesztettük ki és építjük be a villamosmérnök hallgatók tananyagába. A mérések által a hallgatók a gyakorlatban alkalmazhatják az alapozó tantárgyak során megismert fogalmakat, összefüggéseket. Méréseinkkel a napelemek feszültség-áram és teljesítmény karakterisztikáit vizsgáljuk, továbbá a maximális teljesítményhez tartozó terhelést határozzuk meg. A mérést egyszerre négy különböző gyártmányú napelemen végezhetjük el, amelyek között található mono-, poli-kristályos és amorf szilícium változat is. Lehetőség van a napelemek különböző dőlésszögben történő vizsgálatára is egy napforgató mechanikai rendszer révén. A kísérletek segítségével a hallgatók tapasztalatot szereznek a korszerű műszerek használatában, a mérési adatok kiértékelési folyamatában és megtanulják a számítógép alkalmazását a karakterisztikák ábrázolásának folyamatához. A prezentációban egy új mérési eljárásról beszélek. Ismertetem és értékelem azokat az adatsorozatokat, amelyekkel a mérést hitelesítettük. Összehasonlítom a különböző típusú napelemek karakterisztikáit, következtetést vonok le az alkalmazásukkal kapcsolatban, majd végül szólok a kutatási eredmények oktatásban betöltött szerepéről.

2 Bevezetés A megújuló természeti erőforrások alkalmazását laboratóriumokban és eredeti felhasználási környezetben célszerű vizsgálni. A megújuló energiaforrások közül a napenergia alkalmazását vizsgáljuk. A kutatás során rendelkezésünkre áll egy hálózatra visszatápláló 3kWp napelemes erőmű és különböző típusú napelem sorozatok. A berendezések egy része az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karának B épületének a tetején került elhelyezésre. A beltéri egységek pedig az épületben kialakított laboratóriumban találhatóak. A felhasználói oldalról a PV cellák (fotovillamos cellák) legfontosabb fizikai és technikai paramétere a hatékonyság. Ebben az esetben a hatékonyság az elektromos teljesítmény hatékonyságát jelenti, vagyis a besugárzott fény energiájának hány százaléka alakítható át elektromos energiává! (Kádár, Kliment 2011) Annak érdekében, hogy a fent említett problémán dolgozzunk különböző terheléseknél, a teljesítmény értéke döntő tényező. Ahhoz, hogy megtudjuk az elektromos teljesítményt a napelem kimenetén, mérnünk kell az elektromos áramot és a feszültséget ugyanabban az állásban. E két érték összeszorzásával tudjuk kiszámítani a teljesítményt. Így a mért elektromos áram és feszültség fontos a napelem fejlesztése során. Maximális teljesítmény mérési módszerének kidolgozása A napelem cellák egyik legáltalánosabb jellemzője az U-I (feszültégáramerősség) karakterisztika, mely egy adott besugárzási intenzitás mellett értelmezhető. A mérések történhetnek kézzel vagy ipari körülmények között automatizáltan is. Az első esetben az U-I karakterisztika kézi méréssel történhet. A második esetben a napelemek ipari gyártása során egy műfény felvillantásával a másodperc tört része alatt elvégzik a mérést, egy automatikusan változtatott terhelés segítségével, de ebben az esetben műfényt kell alkalmazni. (Zohra Zerhouni, Houari Zerhouni, Zegrar, Benmessaoud, Stambouli, Midoun 2010) Az U-I karakterisztika felvételére irányuló méréseket intézetünkben eddig úgy végeztük a hallgatókkal, hogy U-I mérési eredmény párokat kézi úton rögzítettünk, az adatpárokat ábrázoltuk, majd pedig

3 következtetéseket vontunk le az eredményekből. A kézi mérés során különböző ellenállásokkal zártuk le a kimenetet. Azonos körülmények között kevés mérési pontot vehettünk fel, hisz az, az idő szükséglet, amíg a terhelést kicseréltük, pont elég volt arra, hogy a besugárzási feltételek megváltozzanak. A napelem érzékenységének vizsgálatakor azonban lényeges, hogy ugyanolyan paraméterek mellett, ugyanolyan környezeti körülmények között, határozzuk meg a teljes tartományban a feszültség-áramerősség diagramot. Az eljárás negatívuma a mérés lassúsága és körülményessége volt. A lassú mérés során (5-15 perc) a besugárzási viszonyok megváltozhattak. 1.ábra. Mérési összeállítás különböző ellenállásokkal. A feltételek állandóságát biztosítva, azt az eljárást kellett kitalálni, hogy a terhelések változtatása a lehető legrövidebb idő alatt végbe menjen. Ezt egy tolóellenállás egyenletes, de gyors mozgatásával állítottunk elő, ezzel biztosítva a különböző terheléseket. A mozgatási sebességet empirikus úton határoztuk meg. Eközben a feszültég és áramerősség, mint mérési adat értékeket egy tárolós digitális oszcilloszkóppal rögzítettük. A kidolgozott módszer előnyei, hogy kb. 2 másodperc az aktív mérési időtartam és az igen nagyszámú, automatikusan rögzíthető adatpárok közvetlenül táblázatos formában állnak elő, ami alkalmas a későbbi adatfeldolgozásra.

4 2.ábra. Mérési összeállítás tolóellenállással. A mérési összeállítás egy része az egyetem B épületének a tetején helyezkedik el. A PV panelek a tetőn egy napkövető állványon kerültek installálásra. A nap trajektóriáját követő mechanikai rendszer olyan forgatható és dönthető mechanikai állvány, amely képes tartani, forgatni és dönteni egy időben 5 darab napelem táblát. A vezérlés távirányító doboz segítségével történik az épületben található laboratóriumból. Forgatás a függőleges (vertical axis) tengely körül 360 fokban lehetséges. Ily módon a napelemek bármilyen irányba történő állítására lehetőség van. A tartószerkezet másik állítható szabadsági foka a vízszintes (horizontal axis) tengely körüli döntés. A minimális azimutális szög kb. 30 fok a maximális 90 fok a vízszintes tető síkjához viszonyítva. ( Tudorache, Kreindler 2010) A napelemek elektromos jeleinek az eléréséhez a kivezetések a belső laboratóriumban vannak elhelyezve. A kísérletben öt különböző típusú PV cellát használtunk. A napelemek a következő gyártóktól származnak: SANYO HIP KORAX RENESOLA UPSOLAR FLEXCELL A mérés során mind az öt napelem ugyanabba az irányba nézett. A napelemek déli irányba voltak állítva és az azimutális szögük ugyanakkora, a vízszintes síkhoz viszonyítva 30 fokban volt rögzítve. A mérések során fontos szerep jutott annak, hogy több típust vizsgálhassunk egyszerre. Monokristályos, polikristályos és amorf szilícium szerkezetű napelemeket választottunk!

5 Az új módszer használata révén 2500 adat pontpárt tudtunk menteni a kísérlet ideje (kb. 2 s) alatt és az adatok pontossága is jelentősen javult. Az oszcilloszkóp szolgáltatta adatokat táblázatos formában.cvs file formátumban kaptuk. Ez a formátum könnyen kezelhető bármely rajzoló program segítségével. Az alábbi ábrákon a mérési eredmények felhasználásával előállított karakterisztikák láthatóak. (Példaképpen: SANYO HIP típusú napelem vizsgálatára mutatom be a karakterisztikákat adott besugárzás esetén.) 3.ábra. Teljesítmény karakterisztika az ellenállás függvényében. 4.ábra. Különböző karakterisztikák az ellenállás függvényében.

6 A mérési adatokból felrajzolt karakterisztikákat összehasonlítva a gyári karakterisztikákkal, a hallgatók meggyőződhetnek a mérések helyességéről. ( ) (www. koraxsolar.com, ) ( ) IRODALOMJEGYZÉK [1.] Péter Kádár, Tibor Kliment jr: Autoregression test of Solar Photovoltaic energy generation; rd IEEE International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources; March 11-12, 2011, Subotica, Serbia [2.] Tiberiu Tudorache, Liviu Kreindler: Design of a Solar Tracker System for PV Power Plants; Acta Polytechnica Hungarica Vol. 7, No. 1, [3.] Fatima Zohra Zerhouni, M hamed Houari Zerhouni, Mansour Zegrar, M. Tarik Benmessaoud, Amine Boudghene Stambouli, Abdelhamid Midoun: Proposed Methods to Increase the Output Efficiency of a Photovoltaic (PV) System; Acta Polytechnica Hungarica Vol. 7, No. 2, [4.] Panasonic-HIP-214NKHE5 datasheet containing SANYO HIP- 215NKHE5 and HIP-214NKHE5 solar cell parameters given by the manufacturer, [5.] KORAX KS-240P datasheet containing data for KORAX solar cells, www. koraxsolar.com [6.] National Renewable Energy Laboratory: Best Reseach-cell efficiencies; NREL: Photovoltaics Research Home Page;