VILLAMOSMÉRNÖKI TUDOMÁNYOK

Átírás

1 VILLAMOSMÉRNÖKI TUDOMÁNYOK A Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet műszaki tudományos folyóirata Miskolc, 2018 I. évfolyam, 2. szám ISSN

2 Kiadó: Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet 3515 Miskolc- Egyetemváros A3 épület II. emelet telefon: ; honlap: Felelős Kiadó: Dr. Bodnár István egyetemi adjunktus telefon: belső mellék: 12-19; Miskolci Egyetem Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet Főszerkesztő: Dr. Bodnár István egyetemi adjunktus Miskolci Egyetem Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet Felelős Szerkesztő: Somogyiné Dr. Molnár Judit egyetemi docens Miskolci Egyetem Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet Segédszerkesztő: Iski Patrik Miskolci Egyetem Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet A folyóiratban megjelenő tartalomért és a forrásmegjelölésért a kiadó felelősséget nem vállal! A teljes felelősség a szerző(ke)t terheli! ISSN Miskolc 2

3 VILLAMOSMÉRNÖKI TUDOMÁNYOK A Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet műszaki tudományos folyóirata A VILLAMOSMÉRNÖKI TUDOMÁNYOK HATÁROK NÉLKÜL CÍMŰ KONFERENCIA ELŐADÁSAI Tudományos Bizottság tagjai, lektorok: Dr. Bodnár István, Dr. Blága Csaba, Dr. Brassai Sándor Tihamér, Dr. Czap László, Dr. Deák Csaba, Prof. Dr. Kelemen András, Dr. Kovács Ernő, Prof. Dr Palotás Árpád Bence, Dr. Pintér Judit Mária, Dr. Siménfalvi Zoltán Károly, Somogyiné Dr. Molnár Judit, Dr. Szász Csaba, Prof. Dr. Torma András, Dr. Tóth Lajos Tibor, Dr. Trohák Attila, Váradiné habil Dr. Szarka Angéla, Dr. Vásárhelyi József Miskolc I. évfolyam, 2. szám (2018/2.) ISSN

4 ELŐSZÓ A Miskolci Egyetem számos közleményt jelentet meg, amelyek évtizedek óta hozzájárulnak a tudományos élet fejlődéséhez. E fejlődéshez csatlakozva az immáron második lapszámmal megjelenő Villamosmérnöki Tudományok című elektronikus folyóirat a villamosmérnöki tématerületen folytatott kutatómunkák legújabb közleményeit tartalmazza. A folyóirat szerkesztőbizottsága fontos feladatának tekinti a villamosmérnökség különböző szakágain folyó tudományos publikációs tevékenységnek színvonalas publikálási lehetőséget biztosítani. A színvonalat a szerkesztőbizottság azzal is biztosítani kívánja, hogy a kötetben megjelenő valamennyi cikk alapos lektorálási folyamaton és szerkesztőbizottsági értékelésen megy keresztül. A publikálásra elfogadott cikkek magas színvonalának az is záloga, hogy a cikkek lektorálásánál minden esetben törekedtünk az adott szakterületen elismert, és független kutatót, szakértőt felkérni. A lektorok észrevételeit a szerzők megkapják, ezzel is elősegítve a minőségi publikáció megjelenését. A lektorálás alapos és szakmailag igényes elvégzése nem kis feladatot ró a felkért lektorokra, amiért a Szerkesztő Bizottság nevében ezúton is köszönetemet fejezem ki valamennyi közreműködő lektornak. A kötet a folyóirat címének és küldetésének megfelelően jól tükrözi azt a szerteágazó tudományos tevékenységet, amely a villamosmérnöki tudományok területén folyik. A folyóiratban közreadott cikkek egyaránt lefedik a klasszikus villamosmérnöki területeket, így a villamos- és erőműenergetikát, az elektronikai tervezést és gyártást, az automatizálást és infokommunikációt, valamint a jármű- és teljesítményelektronika legkülönbözőbb területeit, de számos cikket találunk a környezetvédelem és a gépészeti tudományok témaköreiből is. Feltétlenül meg kell említenünk, hogy a folyóirat kiemelt célja lehetőséget teremteni a villamosmérnöki tudományok területén tevékenykedő, műszaki tudományos kutatást folytató egyetemi hallgatók, oktatók és a tudományterületet művelő szakemberek számára az aktuális munkáik, kutatási eredményeik bemutatására, ezzel elősegítve a szakmai fejlődésüket. Jelen lapszámban a Villamosmérnöki Tudományok Határok Nélkül című Konferencián november 9.-én elhangzott előadások írásos anyagai olvashatók, amely konferencia a Magyar Tudomány Ünnepe évi rendezvénysorozatának részeként került megszervezésre. Kelt: Miskolc- Egyetemváros, november 12. Dr. Bodnár István Villamosmérnöki Tudományok Főszerkesztő 4

5 TARTALOMJEGYZÉK Báthory Csongor, Kiss L. Márton, Trohák Attila, Palotás Árpád Bence: Alacsony költségű porszenzorok PM10 és PM2,5 értékeinek kapcsolata... 6 Bodnár István: Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai Bodnár István: Fás szárú biomasszán alapuló gyorsindítású erőmű lehetőségének felvázolása Bodnár István: Energiatakarékosság és környezettudatosság az építőiparban: hőszigetelő anyagok életciklus-elemzése Boros Rafael Ruben: Érintőképernyőn konfigurálható szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása Csehi Bálint, Bodnár István: Elektromos motorvonat tervezése Bécsi villamos felhasználásával Dohány László, Várhelyi Nándor: 3 kva-es és 30 kva-es napelemes energia tároló rendszerek Fóton Erdősy Dániel: Retró audió a XXI. században Hegyi Ádám, Pintér Judit Mária: Fűtés optimalizáló és felügyeleti rendszer Iski Patrik: Napelem teljesítményvesztesége különböző felületi szennyeződéseknél Iski Patrik: Különböző gázosító közegek fajlagos energia-termelésre gyakorolt hatása Katona Mihály: Daru-modell mechanikai, valamint erősáramú tervezése Katona Mihály, Bárány Ilona, Hunyadi Sándor: Háztartási méretű kiserőmű illesztése az ipari fogyasztók gyakorlatába Koós Dániel: Napelem jelleggörbék vizsgálata eltérő hőmérséklet- és fényintenzitás viszonyok mellett 118 L. Kiss Márton, Trohák Attila: Ipar 4.0 alapú vagon helymeghatározó rendszer fejlesztése L. Kiss Márton, Báthory Csongor, Trohák Attila, Palotás Árpád Bence: Szállópor koncentráció mérő műszer páratartalom kalibrációja Orlay Imre: Szabadvezeték vagy kábel a megoldás középfeszültségű hálózatokon? Pintér Judit Mária, L. Kiss Márton: Okosotthon beszéd interfészének fejlesztése Tóth József, L. Kiss Márton: Vagon meghatározó rendszer hardverének fejlesztése Varga Ádám, Pintér Judit Mária: Intelligens vezérlő rendszer fejlesztése komfortérzet konfigurálására Képgaléria: Villamosmérnöki Tudományok Határok Nélkül Konferencia és a Bécsi, alais Ampervadász Piroska villamos kereszteléséről és a nosztalgia-villamosozásról

6 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN ALACSONY KÖLTSÉGŰ PORSZENZOROK PM10 ÉS PM2,5 ÉRTÉKEINEK KAPCSOLATA RATIO OF PM10 AN PM2,5 VALUES OF LOW-COST DUST SENSORS BÁTHORY Csongor 1,3, KISS L. Márton 4,6, TROHÁK Attila 4,5, PALOTÁS Árpád Bence 2,3 1 MSc, doktorandusz, csongor.bathory@uni-miskolc.hu 2 egyetemi tanár, intézetigazgató arpad.palotas@uni-miskolc.hu 3 Miskolci Egyetem, Energia- és Minőségügyi Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros 4 MSc, doktorandusz, l.kiss.marton@gmail.com 5 PhD, intézetigazgató, trohak.attila@uni-miskolc.hu 6 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: A kereskedelmi forgalomban kapható, lézeres technológiát használó, kis költségű szenzorok adatlapjuk szerint PM 10 és PM 2,5, sőt akár PM 1 koncentráció értékeket szolgáltatnak. Egy korábbi tanulmány rávilágított arra, hogy egyes szenzorok a PM 10 értékeket a PM 2,5 értékekből valamilyen (nem publikált) interpoláció útján határozzák meg. Jelen tanulmányban három különböző, kis költségű porszenzort (Plantower, Winsen és Honeywell) hasonlítunk össze, annak érdekében, hogy az egyes típusok által szolgáltatott PM 10, PM 2,5 értékek arányait megismerjük. Az eredmények értékelése segíthet a hosszú távú vizsgálatokra alkalmas szenzor típus kiválasztásában. Kulcsszavak: szenzor, por, PM 10, PM 2,5, arány Abstract: Commercially available, low-cost, laser-based particle sensors provide PM 10 and PM 2.5 or even PM 1 concentrations according to their datasheet. A previous study has shown that some sensors calculate PM 10 values from PM 2.5 values by some unpublished interpolation. In this paper three low-cost dust sensors of various manufacturers (Plantower, Winsen and Honeywell) are compared in order to get information of the ratios of PM 10 and PM 2.5 values supplied by each type. Such an analysis can help to select a sensor type for long-term measurements. Keywords: sensor, dust, PM 10, PM 2,5, ratio 1. BEVEZETÉS A szállópor (particulate matter, PM) koncentráció a levegőminőség legfontosabb mutatójának tekinthető az emberi egészségre [1], a láthatóságra [2] és az éghajlatra gyakorolt hatása [3-5] miatt. Egészségügyi szempontból a megemelkedett PM koncentráció negatív egészségügyi hatásai többek között az aritmia, szívbetegségek, szívritmuszavar, tüdőrák és mortalitás [6-9]. Elsősorban e súlyos következmények miatt szabályozza a PM10 (10 µm és annál kisebb átmérőjű PM) valamint a PM2,5 (2,5 µm és annál kisebb átmérőjű PM) környezeti koncentrációját pl. az Egyesült Államok Környezetvédelmi Hatósága (United States Environmental Protection Agency, US EPA), az Európai Unió által kibocsátott és a magyar jogszabályok, de ad erre ajánlásokat az Egészségügyi Világszervezet (World Health Organization, WHO) is. Az előírásoknak való megfelelést a szövetségi referencia módszerek (Federal Reference Method, FRM [12]) vagy a környezeti levegő minőségéről szóló direktíva (Air Quality Directive 2008/50/EC, AQD [10]) alapján ellenőrzik a környezetvédelmi hatóságok. A szabványoknak megfelelően előleválasztó és szűrő segítségével gyűjtik a megfelelő méretű szállóport, és gravimetriás módszerrel mérik a PM koncentráció napi, valamint éves átlagát [11]. E mellett léteznek az EPA által jóváhagyott u.n. szövetségi- 6

7 BÁTHORY Csongor, KISS L. Márton, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence ekvivalens módszerek (Federal-Equivalent Method, FEM) a PM koncentráció mérésére órás adatokat is tudnak szolgáltatni [12]. Az AQD lehetőséget ad kiegészítő technikák, úgymint levegőminőségi modellek és indikatív mérések használatához. A FEM-re jellemző módszerek az FRM-től és EN12341:2014 szabvány gravimetriás módszerétől eltérő mérési elv szerint működnek, úgymint optikai detektálás [13], béta-sugár abszorpció [14] vagy kúpos elemű oszcilláló mikromérlegelés (Tapered Element Oscillating Microbalance, TEOM [15]) stb., szigorú követelményeknek megfelelve. A fenti módszereknek megfelelő berendezés beszerzése, üzemeltetése több tízmillió forintos költséggel jár, így a nagyobb városokban is csak néhány helyen telepítenek ilyen állomást. Miskolcon három helyen működtet automata mérőállomást az Országos Légszennyezettségi Mérőhálózat (OLM), melyek közül mindhárom méri az órás PM10 koncentrációt, egyikük pedig az órás PM2,5 koncentrációt is a jellemző gáz halmazállapotú légszennyezők mellett. A mérőhálózat adatai alapján történik a nyilvánosság tájékoztatása, az önkormányzatok környezetvédelmi tervezése és a légszennyezettségi előrejelzések. Az adatok a mérőhálózat elhelyezkedéséből adódóan kicsi felbontásúak, nem reprezentálják pontosan a légszennyezők eloszlását a városon belül [16, 17]. Így a levegőterhelés forrásait és azok mennyiségi eloszlását sem ismerhetjük meg részletesen a néhány pont mérése alapján, csak közvetve figyelhetjük a közlekedéssel [18] és fűtéssel [19] összefüggő légszennyezés mértékét. A PM koncentrációk ilyen kis térbeli és időbeli felbontása gátat szab az egyéni PM-expozíció becslésnek [18, 20], a PM egészségügyi hatásait kimutató epidemiológiai vizsgálatoknak [21], a kibocsátási, emissziós leltár, a légszennyezettségi modellek verifikálásának és a kibocsátás-csökkentő intézkedések hatékonyságának megértésének egyaránt. Az utóbbi évtizedben egyre inkább előtérbe kerültek a szenzor alapú légszennyező mérők, melyek kis méretükkel, költségükkel nagy térbeli felbontásban, részletes adatokkal szolgálhatnak a városok légszennyezettségéről. Világszerte és Európában is több nagyvárosban (Barcelona, Belgrád, Nowy Sącz, Skopje, Edinburgh, Haifa, Ljubljana, Oslo, Ostrava, Bécs, Kalifornia, Hong Kong) van példa ilyen szenzor alapú légszennyezettségi mérésekre [22-29]. A szenzorok kis méretüknek köszönhetően könnyen felszerelhetők, mobilizálhatók, így akár a lakosság számára is elérhetővé vált a napi bejárt útvonal levegőminőségének megismerésére, expozíció vizsgálatra [30-32]. Jelenleg egy paradigmaváltást tapasztalunk abban, hogy hogyan, mivel és ki figyeli a levegő minőségét [33-35]. A számos tanulmány ellenére, még jócskán maradtak megválaszoltalan kérdések a szenzorok pontossága, megbízhatósága, eredményeik reprodukálhatósága tekintetében [36-41]. A kereskedelmi forgalomban kapható lézeres, kis költségű szenzorok adatlapjuk szerint PM10 és PM2,5, sőt akár PM1 koncentrációs értékeket is szolgáltatnak. Egy korábbi tanulmány megállapította a PM2,5 és PM10 értékeket adó Nova SDS011 típusú szenzor esetében, hogy a firmware a PM2,5 értékekből valamilyen a felhasználó számára ismeretlen interpoláció útján számítja a PM10 értékeket [42]. Jelen tanulmányban három különböző kis költségű porszenzort (Plantower, Winsen és Honeywell) hasonlítunk össze a Sajószentpéteren található OLM mérőállomás adatait is felhasználva. A tanulmány célja a különböző típusok által szolgáltatott PM10, PM2,5 értékek arányainak megismerése, valamint összevetése az OLM, mint referencia állomás által mért arányokkal. Az eredmények értékelése segítséget nyújthat a hosszú távú mérésekre alkalmas megfelelő szenzor típus kiválasztásához. 2. ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK A mérések én, én és én történtek a reggeli órákban a Sajószentpéteri OLM mérőállomás (N: , E: közvetlen környezetében. A főbb légszennyező források a közlekedésből, fűtési időszak alatt pedig a lakossági tüzelőberendezésekből származnak. Az állomás PM2,5 és PM10 mérésére alkalmas 7

8 Alacsony költségű porszenzorok PM 10 és PM 2,5 értékeinek kapcsolata berendezéssel van ellátva. A szenzorokat egy személygépkocsi ablakában helyeztük el, kb. 5 méterre az állomástól. A teszt céljából egy STM32 mikrovezérlő alapú mérőrendszert alakítottunk ki. Mindhárom szenzorral UART-on keresztül kommunikáltunk és az adatokat közvetlenül laptopra rögzítettük 1 Hz-es gyakorisággal, azaz másodpercenként Az OLM állomás üzemeltetője rendelkezésünkre bocsátotta az állomáson mért PM10 és PM2,5 koncentráció értékek, valamint a hőmérséklete és a relatív páratartalom 1 perces intervallumú adatait. A mérőrendszerünk része volt egy AM2302 típusú digitális hőmérséklet és páratartalom mérő szenzor is. Az OLM adatok alapján a vizsgálat időtartama alatt én az átlagos hőmérséklet 16,5 C, a relatív páratartalom pedig 86,5%, én az átlagos hőmérséklet 24,5 C, a relatív páratartalom pedig 52,7% és én az átlagos hőmérséklet 17,5 C, a relatív páratartalom pedig 75,7% volt. Két Honeywell típusú szenzorral sor került egy terheléses vizsgálatra is én 20:41 és 21:12 óra között szabadtéren, cigaretta füstös környezetben. A vizsgálat alatt az átlagos hőmérséklet 28 C, a relatív páratartalom pedig 61% volt. 1. táblázat: Szenzortípusok alapvető jellemzői Márka, elnevezés Plantower Winsen Honeywell Típus PMS7003 ZH03 HPMA115S0 PM1 x x - PM2,5 x x x PM10 x x x Fényforrás lézer lézer lézer Áramlást biztosít ventilátor ventilátor ventilátor Mérés alsó határa 0,3 µm 0,3 µm - Mérési tartomány µg/m µg/m µg/m 3 A vizsgált szenzorok adatlapjai alapján a főbb jellemzőket az 1. táblázat foglalja össze. A Plantower szenzor egyszerre több szemcseméretet is képes mérni, adatokat nyerhetünk a 0,3, 0,5, 1, 2,5, 5 és 10 µm-nél kisebb szemcsék számáról 0,1 liternyi térfogatban, ezen kívül µg/m 3 - ben kiolvashatók a PM1, PM2,5 és PM10 koncentráció értékek. A Winsen szenzor PM1, PM2,5 és PM10, a Honeywell pedig PM2,5 és PM10 koncentráció értékeket ad µg/m 3 -ben. 3. EREDMÉNYEK A három különböző időpontban végzett vizsgálat eredményeit egyesítettük, így összesen 292 percnyi érték áll rendelkezésünkre, mint adatbázis. A 2. táblázat alapján látható, hogy a referencia OLM állomás és a szenzorok között a PM2,5 koncentrációk determinációs együtthatói (R 2 ) 0,9-es felettiek, míg a PM10 esetében nem érik el a 0,75-öt. Ez az eltérés nagyrészt abból adódik, hogy konstrukciójukból adódóan a kis költségű porszenzorok nem képesek megfelelő módom mérni a PM10 szemcséket, illetve 10 µm-nél jóval kisebb szemcseátmérő tartományban mért eredményekből kalkulálják azok koncentrációját. 8

9 BÁTHORY Csongor, KISS L. Márton, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence 2. táblázat: PM2,5 és PM10 koncentrációk R 2 értékei az OLM állomás és szenzorok között egy perces időintervallumokra nézve R 2 PM2,5 R 2 PM10 OLM Plantower Winsen Honeywell OLM 1 0,732 0,724 0,720 Plantower 0, ,968 0,969 Winsen 0,956 0, ,981 Honeywell 0,956 0,966 0,982 1 Vizsgálatunk tárgya a PM2,5 és PM10 aránya, így azokat külön-külön grafikus úton elemeztük. Az OLM állomás PM10/PM2,5 arányai 1,256-tól 6,073-ig változtak (1. ábra). 5 és 25 µg/m 3 -es PM2,5 értéknél több kiugró arányszámot is láthatunk, e fölött pedig 1,623 és 1,256 között maradnak a PM10/PM2,5 arányok. 1. ábra: OLM állomás PM10/PM2,5 aránya és PM2,5 koncentrációi A Plantower esetében a PM10/PM2,5 arány 1,0 és 1,429 (2. ábra), a Winsen esetében 1,041 és 1,2 (3. ábra), a Honeywell estében pedig 1,04 és 1,2 (4. ábra) között változott. Jól látható a 2., 3. és 4. ábrákon, hogy a három szenzor eltérő számítási módot alkalmaz a PM10 koncentráció értékek meghatározásához. 2. ábra: Plantower szenzor PM10/PM2,5 aránya és PM2,5 koncentrációi 9

10 Alacsony költségű porszenzorok PM 10 és PM 2,5 értékeinek kapcsolata A Plantower szenzor esetében megjelenik az 1-es PM10/PM2,5 arány is, mely azt jelenti, hogy ekkor a PM10 értéke megegyezik a PM2,5-vel. Mivel a Plantower megadja a 0,3, 0,5, 1, 2,5, 5 és 10 µm-nél kisebb szemcsék számát, amennyiben a 10 és 5 µm-es tartományban a szemcsék száma 0, a PM10 koncentráció megegyezik a PM2,5-vel. Ez a szenzor a több csatornás mérési eredményei alapján számolja a PM10 koncentrációt. A kis PM2,5 értékekhez nagy aránytényező tartozik. 3. ábra: Winsen szenzor PM10/PM2,5 aránya és PM2,5 koncentrációi A Winsen szenzor esetében is a legnagyobb PM10/PM2,5 arány a legkisebb PM2,5 koncentrációknál látható. A számítást leíró görbe egy negyedfokú polinommal már jól közelíthető. A görbe szórását a Winsen által 1 µm-nél kisebb részecske tartományban mért értékei okozzák. A Winsen szenzor a PM10 koncentráció számítása tehát két paraméter, a PM1 és PM2,5 koncentrációkon alapul. 4. ábra: Honeywell szenzor PM10/PM2,5 aránya és PM2,5 koncentrációi A legegyszerűbb eset a Honeywell szenzor estén, itt egyértelmű az összefüggés megléte, kijelenthetjük, hogy a Honeywell egyértelműen a PM2,5 értékek alapján számolja a PM10 értékeket. A számítás módjában 25 µg/m 3 -es PM2,5 értéknél láthatunk szakadást, vagyis a kisebb koncentrációknál nagyobb arányban veszi figyelembe a szállópor PM2,5-es részét, majd nagyobb koncentrációknál kisebb arányban. 10

11 BÁTHORY Csongor, KISS L. Márton, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence A két Honeywell szenzor cigaretta füsttel végzett terheléses vizsgálatának eredményeit átlagoltuk. Így a PM2,5 koncentrációk 8 µg/m 3 és 973 µg/m 3 között változtak. Az 5. ábra jól mutatja, hogyan változik a kapcsolat a PM2,5 és a PM10/PM2,5 arány között. Az egyes kapcsolati görbéket tartományokra bontva ábrázoltuk. A tartományok határait a tartományon belül mért legkisebb és legnagyobb értékek adták. A leíró polinominális egyenleteiket pedig a 3. táblázat tartalmazza, itt már a teljes tartomány becsült felső és alsó határát adtuk meg. Elmondható, hogy a 25 µg/m 3 -től 81 µg/m 3 -enként változik közelítő parabola, vagyis a PM10 számítási módja. Az összes feltüntetett közelítő parabola tökéletesen illeszkedik az ismert pontokra (R 2 =1). A koncentráció növekedésével a szenzor egyre kisebb arányban veszi figyelembe a szállópor PM2,5-es részét a PM10 számításakor. 5. ábra: Honeywell PM10/PM2,5 aránya és PM2,5 koncentrációi közötti grafikus kapcsolat tartományokra bontva a terheléses vizsgálat során 2. táblázat: Honeywell PM2,5 (x) és a PM10/PM2,5 arány (y) közötti kapcsolatát leíró egyenletek és azok határai Alsó határ Felső határ Közelítő polinom egyenlete 0 24 y = 1E-06x 4-9E-05x 3 + 0,003x 2-0,0463x + 1, y = -7E-11x 5 + 3E-08x 4-4E-06x 3 + 0,0003x 2-0,012x + 1, y = -7E-09x 3 + 4E-06x 2-0,0009x + 1, y = -1E-09x 3 + 1E-06x 2-0,0005x + 1, y = 2E-07x 2-0,0002x + 1, y = 1E-07x 2-0,0001x + 1, y = 6E-08x 2-9E-05x + 1, y = 5E-08x 2-8E-05x + 1, y = 3E-08x 2-7E-05x + 1, y = 3E-08x 2-6E-05x + 1, y = 2E-08x 2-5E-05x + 1, y = 2E-08x 2-5E-05x + 1, y = 2E-08x 2-4E-05x + 1,

12 Alacsony költségű porszenzorok PM 10 és PM 2,5 értékeinek kapcsolata 4. ÖSSZEFOGLALÁS A kis költségű pormérő szenzorok a PM2,5 koncentrációk mellett PM10 koncentrációs értékeket is szolgáltatnak. A referencia OLM mérőállomáshoz viszonyítva a PM10 koncentrációs értékek rosszabb korrelációt, kisebb R 2 értéket mutatnak a PM2,5-nél. Ennek az eltérésnek az oka, hogy konstrukciójukból adódóan a kis költségű porszenzorok nem képesek megfelelő módom mérni a PM10 szemcséket, illetve 10 µm-nél jóval kisebb szemcseátmérő tartományban mért eredményekből kalkulálják a PM10 koncentrációját. A PM2,5 értékek ezzel szemben jól korrelálnak, a referencia értékekkel kalibrálva pedig még pontosabb koncentráció értékeket nyerhetünk a szenzorok által. Az AQD szerint az indikatív mérések olyan mérések, amelyek a helyhez kötött mérésekhez képest kevésbé szigorú adatminőségi célkitűzésnek felelnek meg. A kis költségű szenzorok indikatív mérési lehetőségek csoportjába tartoznak, mert adattábláik szerint +/ %-os hibahatárral működnek ideális körülmények között. Az ebben a kutatásban vizsgált szenzorok közül mindhárom hasonló mértékben közelítette a referenciát. Jelen tanulmány célja a PM2,5 és PM10 kapcsolatok feltárása volt annak érdekében, hogy e tekintetben melyik szenzor felel meg a legjobban hosszú távú összehasonlító mérésekben történő használatra. A Honeywell szenzor PM2,5 esetében a Winsenhez hasonlóan korrelál, azonban a PM10 értékeket kizárólag a PM2,5 koncentrációk alapján határozza meg. A Winsen szenzor két paramétert (PM1 és PM2,5) vesz figyelembe a PM10 koncentrációk számításánál, így jobban is korrelál a referenciával PM10 esetében, mint a Honeywell. A legösszetettebb a Plantower, mely hat mérettartományban ad részecskeszámot, és ezek alapján számolja a PM10 koncentrációkat. A fentiek alapján nem meglepő, hogy a Plantower korrelál a legjobban a referencia értékekkel. A hosszútávú mérések kivitelezésekor azonban a megbízhatóság, pontosság, időjáró állóság és az azonos típusok egymáshoz képesti szórását is figyelembe kell venni, ezért a jövőben ez irányú vizsgálatokat tervezünk. 5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezt a kutatást részben támogatta az Emberi Erőforrások Minisztériuma az ÚNKP-18-3-I- ME/29. kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programon keresztül, melyet ezúton köszönnek a szerzők. Ugyancsak köszönik az Air Quality Monitoring 2.0 kutatócsoport segítségét. 6. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] A. VALAVANIDIS, K. FIOTAKIS, and T. VLACHOGIANNI: Airborne Particulate Matter and Human Health: Toxicological Assessment and Importance of Size and Composition of Particles for Oxidative Damage and Carcinogenic Mechanisms, Journal of Environmental Science and Health, Part C, vol. 26, pp , [2] J. WU, W. CHENG, H. LU, Y. SHI, and Y. HE: The Effect of Particulate Matter on Visibility in Hangzhou, China, Journal of Environmental Science and Management, vol. 21, [3] O. JOLLIET, A. ANTÓN, A.-M. BOULAY, F. CHERUBINI, P. FANTKE, A. LEVASSEUR, et al.: Global Guidance on Environmental Life Cycle Impact Assessment Indicators: Impacts of Climate Change, Fine Particulate Matter Formation, Water Consumption and Land Use, The International Journal of Life Cycle Assessment, pp. 1-19,

13 BÁTHORY Csongor, KISS L. Márton, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence [4] H. HE, X.-Z. LIANG, and D. J. WUEBBLES: Effects of Emissions Change, Climate Change and Long-Range Transport on Regional Modeling of Future Us Particulate Matter Pollution and Speciation, Atmospheric Environment, vol. 179, pp , [5] L. JIMODA: Effects of Particulate Matter on Human Health, the Ecosystem, Climate and Materials: A Review, Facta universitatis-series: Working and Living Enviromental Protection, vol. 9, pp , [6] R. D. BROOK, S. RAJAGOPALAN, C. A. POPE, J. R. BROOK, A. BHATNAGAR, A. V. DIEZ-ROUX, et al.: Particulate Matter Air Pollution and Cardiovascular Disease: An Update to the Scientific Statement from the American Heart Association, Circulation, vol. 121, pp , [7] J. LEPEULE, F. LADEN, D. DOCKERY, and J. SCHWARTZ: Chronic Exposure to Fine Particles and Mortality: An Extended Follow-up of the Harvard Six Cities Study from 1974 to 2009, Environmental health perspectives, vol. 120, p. 965, [8] A. PETERS, E. LIU, R. L. VERRIER, J. SCHWARTZ, D. R. GOLD, M. MITTLEMAN, et al.: Air Pollution and Incidence of Cardiac Arrhythmia, Epidemiology, vol. 11, pp , [9] C. A. POPE III, R. T. BURNETT, M. J. THUN, E. E. CALLE, D. KREWSKI, K. ITO, et al.: Lung Cancer, Cardiopulmonary Mortality, and Long-Term Exposure to Fine Particulate Air Pollution, Jama, vol. 287, pp , [10] P. UNION: Directive 2008/50/Ec of the European Parliament and of the Council of 21 May 2008 on Ambient Air Quality and Cleaner Air for Europe, Official Journal of the European Union, [11] E. UNI: 12341: 2014, Air Quality Determination of the PM10 fraction of suspended particulate matter. Reference method and field test procedure to demonstrate reference equivalence of measurements methods, [12] C. A. NOBLE, R. W. VANDERPOOL, T. M. PETERS, F. F. MCELROY, D. B. GEMMILL, and R. W. WIENER: Federal Reference and Equivalent Methods for Measuring Fine Particulate Matter, Aerosol Science & Technology, vol. 34, pp , [13] J. BOL, W. HEINZE, J. GEBHARDT, and W. LETSCHERT, "Method of Measuring the Concentration and/or Size of Suspended Particles by Forward Scattering of Light," ed: Google Patents, [14] E. S. MACIAS and R. B. HUSAR: Atmospheric Particulate Mass Measurement with Beta Attenuation Mass Monitor, Environmental Science & Technology, vol. 10, pp , [15] H. PATASHNICK and E. G. RUPPRECHT: Continuous Pm-10 Measurements Using the Tapered Element Oscillating Microbalance, Journal of the Air & Waste Management Association, vol. 41, pp , [16] M. L. BELL, K. EBISU, and R. D. PENG: Community-Level Spatial Heterogeneity of Chemical Constituent Levels of Fine Particulates and Implications for Epidemiological Research, Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology, vol. 21, p. 372, [17] S. STEINLE, S. REIS, and C. E. SABEL: Quantifying Human Exposure to Air Pollution Moving from Static Monitoring to Spatio-Temporally Resolved Personal Exposure Assessment, Science of the Total Environment, vol. 443, pp , [18] H. E. I. P. O. T. H. E. O. T.-R. A. POLLUTION, Traffic-Related Air Pollution: A Critical Review of the Literature on Emissions, Exposure, and Health Effects: Health Effects Institute,

14 Alacsony költségű porszenzorok PM 10 és PM 2,5 értékeinek kapcsolata [19] C. BRANDT, R. KUNDE, B. DOBMEIER, J. SCHNELLE-KREIS, J. ORASCHE, G. SCHMOECKEL, et al.: Ambient Pm10 Concentrations from Wood Combustion Emission Modeling and Dispersion Calculation for the City Area of Augsburg, Germany, Atmospheric environment, vol. 45, pp , [20] X.-C. CHEN, T. J. WARD, J.-J. CAO, S.-C. LEE, J. C. CHOW, G. N. LAU, et al.: Determinants of Personal Exposure to Fine Particulate Matter (Pm 2.5) in Adult Subjects in Hong Kong, Science of the Total Environment, vol. 628, pp , [21] L.-W. HU, Z. M. QIAN, M. S. BLOOM, E. J. NELSON, E. LIU, B. HAN, et al.: A Panel Study of Airborne Particulate Matter Concentration and Impaired Cardiopulmonary Function in Young Adults by Two Different Exposure Measurement, Atmospheric Environment, vol. 180, pp , [22] B. FISHBAIN, U. LERNER, N. CASTELL, T. COLE-HUNTER, O. POPOOLA, D. M. BRODAY, et al.: An Evaluation Tool Kit of Air Quality Micro-Sensing Units, Science of The Total Environment, vol. 575, pp , [23] A. MUKHERJEE, L. G. STANTON, A. R. GRAHAM, and P. T. ROBERTS: Assessing the Utility of Low-Cost Particulate Matter Sensors over a 12-Week Period in the Cuyama Valley of California, Sensors, vol. 17, p. 1805, [24] L. SUN, K. C. WONG, P. WEI, S. YE, H. HUANG, F. YANG, et al.: Development and Application of a Next Generation Air Sensor Network for the Hong Kong Marathon 2015 Air Quality Monitoring, Sensors, vol. 16, p. 211, [25] P. KUMAR, L. MORAWSKA, C. MARTANI, G. BISKOS, M. NEOPHYTOU, S. DI SABATINO, et al.: The Rise of Low-Cost Sensing for Managing Air Pollution in Cities, Environment international, vol. 75, pp , [26] M. PENZA, D. SURIANO, V. PFISTER, M. PRATO, and G. CASSANO, "Urban Air Quality Monitoring with Networked Low-Cost Sensor-Systems," in Multidisciplinary Digital Publishing Institute Proceedings, 2017, p [27] L. A. WALLACE, A. J. WHEELER, J. KEARNEY, K. VAN RYSWYK, H. YOU, R. H. KULKA, et al.: Validation of Continuous Particle Monitors for Personal, Indoor, and Outdoor Exposures, Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology, vol. 21, p. 49, [28] M. ROGULSKI: Using Low-Cost Pm Monitors to Detect Local Changes of Air Quality, Polish Journal of Environmental Studies, vol. 27, [29] A. MASIC, B. PIKULA, and D. BIBIC: Mobile Measurements of Particulate Matter Concentrations in Urban Area, Annals of DAAAM & Proceedings, vol. 28, [30] J. VAN DEN BOSSCHE, J. THEUNIS, B. ELEN, J. PETERS, D. BOTTELDOOREN, and B. DE BAETS: Opportunistic Mobile Air Pollution Monitoring: A Case Study with City Wardens in Antwerp, Atmospheric Environment, vol. 141, pp , [31] A. DE NAZELLE, E. SETO, D. DONAIRE-GONZALEZ, M. MENDEZ, J. MATAMALA, M. J. NIEUWENHUIJSEN, et al.: Improving Estimates of Air Pollution Exposure through Ubiquitous Sensing Technologies, Environmental Pollution, vol. 176, pp , [32] T. NAKAYAMA, Y. MATSUMI, K. KAWAHITO, and Y. WATABE: Development and Evaluation of a Palm-Sized Optical Pm2. 5 Sensor, Aerosol Science and Technology, vol. 52, pp. 2-12, [33] N. CASTELL, M. VIANA, M. C. MINGUILLÓN, C. GUERREIRO, and X. QUEROL: Real-World Application of New Sensor Technologies for Air Quality Monitoring, ETC/ACM Technical Paper, vol. 16, [34] N. CASTELL, F. R. DAUGE, P. SCHNEIDER, M. VOGT, U. LERNER, B. FISHBAIN, et al.: Can Commercial Low-Cost Sensor Platforms Contribute to Air 14

15 BÁTHORY Csongor, KISS L. Márton, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence Quality Monitoring and Exposure Estimates?, Environment international, vol. 99, pp , [35] A. LEWIS and P. EDWARDS: Validate Personal Air-Pollution Sensors: Alastair Lewis and Peter Edwards Call on Researchers to Test the Accuracy of Low-Cost Monitoring Devices before Regulators Are Flooded with Questionable Air-Quality Data, Nature, vol. 535, pp , [36] Y. WANG, J. LI, H. JING, Q. ZHANG, J. JIANG, and P. BISWAS: Laboratory Evaluation and Calibration of Three Low-Cost Particle Sensors for Particulate Matter Measurement, Aerosol Science and Technology, vol. 49, pp , [37] C. BORREGO, A. COSTA, J. GINJA, M. AMORIM, M. COUTINHO, K. KARATZAS, et al.: Assessment of Air Quality Microsensors Versus Reference Methods: The Eunetair Joint Exercise, Atmospheric Environment, vol. 147, pp , [38] A. L. CLEMENTS, W. G. GRISWOLD, J. E. JOHNSTON, M. M. HERTING, J. THORSON, A. COLLIER-OXANDALE, et al.: Low-Cost Air Quality Monitoring Tools: From Research to Practice (a Workshop Summary), Sensors, vol. 17, p. 2478, [39] J.-B. RENARD, F. DULAC, G. BERTHET, T. LURTON, D. VIGNELLE, F. JÉGOU, et al.: Loac: A Small Aerosol Optical Counter/Sizer for Ground-Based and Balloon Measurements of the Size Distribution and Nature of Atmospheric Particles Part 2: First Results from Balloon and Unmanned Aerial Vehicle Flights, Atmospheric Measurement Techniques Discussions, vol. 8, pp , [40] J.-B. RENARD, F. DULAC, G. BERTHET, T. LURTON, D. VIGNELLES, F. JÉGOU, et al.: Loac: A Small Aerosol Optical Counter/Sizer for Ground-Based and Balloon Measurements of the Size Distribution and Nature of Atmospheric Particles Part 1: Principle of Measurements and Instrument Evaluation, Atmospheric Measurement Techniques, vol. 9, pp ,

16 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN NAPELEMEK TELEPÍTÉSI MÓDJAI ÉS TARTÓSZERKEZETEIK TÍPUSAI INSTALLATION MODES OF THE SOLAR PANELS AND TYPES OF FRAME BODNÁR István Ph.D., egyetemi adjunktus, kutatócsoport vezető, Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, Villamos Energetikai Kutatócsoport, H-3515 Miskolc- Egyetemváros Kivonat: A tanulmány a napelemek telepítési típusairól és a hozzájuk tartozó tartószerkezetekről szól. Napjainkban a napelemeket igen szélsőséges körülmények között telepítik, így a napelem-tartószerkezetek fejlesztése elkerülhetetlenné vált. Az utóbbi években egyre nagyobb ütemben terjednek a nagyteljesítményű napelemes erőművek építése mocsaras, sivatagi és homoktalajú környezetben. A talaj savas, vagy lúgos kémhatásának korróziós hatása, valamint a finomszemcsés talajban a szemcsemozgások koptató hatása újfajta szerkezeti anyagok és bevonatok alkalmazását igényli. Kulcsszavak: napelem, rögzítés-technika, tartószerkezet, tetőhorog Abstract: This paper presents the type of installation of the solar cells and their supporting structures. Nowadays, solar panels are often installed extreme conditions, so the development of solar cell structures has become inevitable. In recent years, high-power solar power plants are often built marshy, desert and sandy environment. The acid or alkaline ph of the soil has a corrosion effect, and the abrasive effect of particulate matter in fine grain soil requires the use of new types of structural materials and coatings. Keywords: photovoltaic, solar module, fixing, supporting structure, roof hook 1. BEVEZETÉS Napjainkban egyre több napelemes rendszert építenek. Az egészen kisméretű néhány száz wattos csúcsteljesítményűtől a több tíz, vagy akár több száz megawattig terjedő kategóriában. A napelemeket nem lehet csak úgy a földön, vagy a tetőn elhelyezni, hanem azt valamilyen tartószerkezet segítségével kell telepíteni és rögzíteni. A rögzítés nem csak vagyonvédelmi, hanem biztonsági célokat is szolgál. A nem megfelelően rögzített napelemeket lesodorhatja az erős szél, amely az épület károsodása mellett életveszélyes helyzeteket is eredményezhet, ezért fontos a napelemek szakszerű rögzítése. 2. NAEPELEMEK TELEPÍTÉSE A napelemek telepítési lehetőségeit alapjában véve kétféle módon csoportosíthatjuk. Az egyik csoportosítási szempont a telepítés helyszíne, a másik pedig a tartószerkezet típusa szerint történik. Az első főcsoportba tartoznak azok a napelemes rendszerek, amelyek a földfelszínen kerülnek elhelyezésre. Ennél a megoldásnál egyaránt alkalmazhatunk napkövető kivitelű, valamint fix telepítést megvalósító tartószerkezetet. Az előbbi kialakítás mozgató mechanizmust tartalmaz, amely a mozgó alkatrészek miatt karbantartást igényel, valamint az önfogyasztással is számolnunk kell. Így nem csak a beruházási, hanem az üzemeltetési költségek is nagyobbak, mint a fix rendszereknél tapasztaltak. A második főcsoportba azok a napelemes rendszerek tartoznak, amelyek különböző épületek, létesítmények (építőipari műtárgyak) tetőszerkezetén, esetleg homlokzatán kerülnek 16

17 BODNÁR István elhelyezésre. A ferde tetőkön szinte kizárólag csak fix rendszerek telepíthetők, azonban az ipari és a lapos tetőkön napkövető kivitelű is megvalósítható. E megoldásokon kívül egyre divatosabbak a napelemek járműveken, illetve közlekedési eszközökön, így hajókon, autókon és újabban repülőgépeken történő elhelyezése. A harmadik főcsoportot ez a telepítési helyszín jelenti. Egy ilyen rendszer akár hasznos lehet, főleg az elektromos meghajtású, valamint a hibrid rendszerű gépeken, így egyes esetekben adott a lehetőség, hogy kizárólag a napelemek által termelt energiával működjenek, fosszilis üzemanyagok felhasználása nélkül. Nem szabad elfelejteni, hogy a tartószerkezet minden esetben napelemek rögzítését jelenti, tehát a létesítményhez való mechanikai kapcsolatot valósítja meg, ezért megfelelő rögzítést kell biztosítani az időjárás viszontagságaival szemben mind mechanikai igénybevétel, mind a korrózió ellen. A napelemek, illetve a rendszer élettartama minimum 25 év, tehát a tartószerkezetet is ennek tükrében kell kiválasztani. Az alkalmazott tartószerkezeti rendszer méretezését és kiosztását minden esetben az adott gyártó előírásai szerint kell elvégezni és kialakítani. 3. TELEPÍTÉS FÖLDFELSZÍNEN 3.1. Fixen telepített rendszerek Felépítését tekintve rendkívül egyszerű szerkezet. Alacsony bekerülési költség mellett garantáltan karbantartásmentes, időjárásálló és teherbíró (1. ábra). Az egymás mögött elhelyezkedő sorok közötti távolság arányos a szerkezet legnagyobb magasságával. Mivel az árnyékolás mértéke a Napfény beesési szögétől függ, ezért az év különböző napjain, különböző mértékű árnyékhatással kell számolnunk. Átlagosan két egymás mögött lévő sor távolsága 2,56- szerese a szerkezet teljes magasságának. Ezzel biztosítható, hogy a modulcsoportok a téli időszakban, amikor a Nap alacsonyan jár (kicsi a fény beesési szöge, átlagosan 19 19,5 ), akkor se vessen árnyékot a mögöttük lévő sorokra [1, 2, 3]. 1. ábra: Földfelszínen, fixen telepített napelemes rendszer [1, 3] 17

18 Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai Szintén nagyon fontos paraméter a panelek dőlésszöge, valamint tájolása. E két paraméter pontos értékének meghatározására általánosan egy nagyon egyszerű szabályt kell betartanunk. Ha a rendszert az Északi félgömbön helyezzük el, akkor azt Délre kel tájolni. Ennek megfelelően a Déli félgömbön a rendszernek Észak felé kell néznie. A dőlésszög meghatározására szintén egy ilyen egyszerű ökölszabályt célszerű alkalmazni. E szerint a napelemes rendszer dőlésszöge legyen egyenlő a telepítési helyszín szélességi fokával. Például Budapest az Északi félgömbön helyezkedik el, ezért ott a rendszert Dél felé kell tájolni, másfelől pedig Budapest az Északi szélesség 47,55 -án helyezkedik el, ezért ott célszerűen ennyinek kellene lennie a dőlésszögnek. Ennél a beállításnál lenne az optimum, azaz éves szinten ezekkel a paraméterekkel rendelkező rendszerrel lehetne a legtöbb energiát megtermelni. Nyilván való, hogy ezt a dőlésszöget nem könnyű beállítani, ezért általában 45 - ot szoktak kiindulási alapként venni. Talán ez az érték az, amit a legkönnyebben be lehet állítani. Magyarországon elfogadható a 30 és a 60 közötti dőlésszög választása is. Ekkor viszont átlagosan 5 8%-kal kisebb energiatermeléssel kell számolnunk éves szinten [1, 2, 3]. Legfontosabb előnyei [3]: kompatibilis minden típusú tereppel, beton-mentes az alapja, akár lapos tetővel rendelkező épületekre is felszerelhető (más típusú rögzítő lábbal), minimális talaj előkészítést igényel, kompatibilis minden típusú szerkezettel, könnyen eltávolítható és újrahasznosítható, minden típusú talajnál használható, maximális tartósság korrózió ellen, csökkentett telepítési költségek, garantált 25 éves korrózió elleni védettség. A 2. ábra mutatja a rögzítő lábak (földcsavarok) földbehelyezésének módszerét, és a tartószerkezet felépítését. A 3. ábra a földcsavart, valamint a tartószerkezet lábainak földcsavarhoz történő rögzítését szemlélteti. 2. ábra: A rögzítő lábak (földcsavarok) földbehelyezésének módszere, és a tartószerkezet felépítése [1, 3] 18

19 BODNÁR István 7.3. ábra: A földcsavarok és a tartószerkezet lábainak rögzítése a földcsavarhoz [1, 3] A földcsavarok élettartamát nagymértékben befolyásolja a telepítési hely talajszerkezete és a fizikai-kémiai összetétele. Mocsaras és sivatagi környezetben a várható éllettartam a gyakorlati tapasztalatok alapján 6 év alá csökkenhet. Előbbi esetben az oxidáció, utóbbi esetben a kvarchomok koptató hatása jelent problémát. A földcsavarok leggyakrabban horgany bevonattal vannak ellátva, azonban napjainkban egyre jobban terjednek a műanyag, kompozit alapú bevonatok, amelyek a földcsavarok élettartamát jelentősen megnövelik [3] Napkövető kivitelű rendszerek A napkövető kivitelű napelem-tartószerkezetek világszerte széles körben elterjedtek. Alkalmazásuk elsősorban azokon a területeken célszerű, ahol a domborzati viszonyok lehetővé teszik a Nap járásának folyamatos követését. Akkor a legnagyobb energiahozamuk, ha teljesen sík és árnyékhatástól védett terepen történik telepítésük. Egyik lehetséges megvalósítási formája az egytengelyes rendszer. Egy tengelyű kompakt rendszerek: Ennél a kialakításnál a napelem-modulok egy tömbben kerülnek elrendezésre, amely tömb egy vízszintes, vagy egy ferde tengely körül elforgathatók (4. ábra) [3]. 4. ábra: Egytengelyes horizontális Napkövető napelemes rendszer [1, 3] 19

20 Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai Előnyei és hátrányai [3]: Könnyen telepíthető és az egész rendszer egyetlen szerkezet. Hiba észlelés, védelem és riasztás képessége. Szabványos csatlakozókkal ellátott, így bármilyen más rendszerrel kombinálható. Moduláris felépítésének köszönhetően nagy teljesítményű rendszerek költséghatékonyan építhetők. Akár MW-os méretben is! 10-20%-os hatásfokjavulás tapasztalható, a rögzített tartókhoz képest (általában 15%- kal szokás számolni). Beruházási költsége (gyártótól és típustól függően) 30, de akár 100 százalékkal is nagyobb lehet, mint a fixen rögzítést megvalósító tartószerkezeté. Csoportos telepítés esetén a fajlagos beruházási költségek tovább csökkenthetők (5. ábra). További megvalósítási lehetőség egy komplett 10 kw csúcsteljesítményű rendszert ajánl (6. ábra). Kialakítása az előző modellhez hasonló, azzal a különbséggel, hogy itt a bővítés lehetősége 10 kwp teljesítményű blokkokkal oldható meg. A napelem-modulok akár fektetve, akár állítva is elhelyezhetők a tartószerkezeten, természetesen a napelem méretétől és a tartószerkezet típustól függően. A fektetett verziót csak akkor célszerű használni, ha helyhiány miatt a sorokat egymáshoz közelebb kell telepíteni, ekkor ugyan is a következő blokk kisebb árnyékhatásával lehet számolnunk. Minél magasabb egy-egy szerkezet, annál nagyobb távolságot kell tartani az egymás mögött lévő sorok között. 5. ábra: Moduláris rendszerű, csoportosan telepített egytengelyes Napkövető napelemes rendszer és bővítési lehetősége [3] 6. ábra: Kompakt 10 kw csúcsteljesítményű egytengelyes Napkövető napelemes rendszer [3] 20

21 BODNÁR István A moduláris kialakításnak köszönhetően erőművi méretekben, néhány száz kwp teljesítménytől, akár több MWp teljesítményig telepíthetők, ezzel kiváltva hagyományos erőművi blokkokat (7. ábra). 7. ábra: Erőművi mértben, csoportosan telepített kompakt egytengelyű Napkövető kivitelű napelemes rendszer [3] Kéttengelyű (poláris) rendszerek: Ennél a kialakításnál az erőműblokk a minimum két egymástól függetlenül működő mozgatómechanizmusnak köszönhetően teljes mértékben képes lekövetni a Nap járását (8. ábra). Legnagyobb előnyük, hogy akár 35%-kal is növelhető a hatékonyságuk a fixen telepített rendszerekhez képest. Hátrányuk viszont, hogy a beruházási költség is legalább 30%-kal magasabb, mert két egymástól függetlenül működő mozgatómechanizmusra van szükség. Ezért alkalmazásuk csak indokolt esetben célszerű [1, 3]. 8. ábra: Poláris, többtengelyű Napkövető kivitelű napelemes rendszerek [1, 3] 4. TELEPÍTÉS FERDE TETŐN A napelemes rendszerek talán az egyik leggyakoribb telepítési helyszíne a ferde tetőkön való elhelyezés. Világszerte a napelemes erőművek többsége a családi házak tetején található (9. ábra). A telepítés előtt számos kérdésre kell választ adnunk. Legelső és talán a legfontosabb, hogy a tető, ahová a napelemeket el szeretnénk helyezni, kibírja-e a pluszterhelést, amelyet a rendszer okoz. 21

22 Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai 9. ábra: Ferde tetőn telepített napelemes rendszer [3] A többletterhelés 15 kg is lehet négyzetméterenként. Ez azt jelenti, hogy egy 1,5 kw csúcsteljesítményű rendszernél, amely, mint egy 10 m 2 felületű, 150 kg pluszteherrel kell számolni. Ha nem vagyunk biztosak a tetőszerkezet teherbíró-képességében, akkor érdemes szakemberhez fordulni. A statikus mindemellett azt is meg fogja tudni mondani, hogy milyen tartószerkezet alkalmazása célszerű a napelemek stabil, és biztonságos rögzítéséhez. Magyarország építészeti stílusát és módszerét figyelembe véve, a rendszeresen és szakszerűen karban tartott épületei szinte mindegyike alkalmas napelemes erőmű telepítésére [2, 3]. A második kérdés, hogy a tető melyik oldalán történjen az elhelyezés. A Déli tájolás az ideális, ennek hiányában törekednünk kell arra, hogy a rendszer a közel Délre néző tetőfelületen kerüljön elhelyezésre. Ilyen esetekben a Dél- Délkelet, vagy Dél- Délnyugat közül a Dél- Délnyugat jobb választás, mert Magyarország a Keleti hosszúság 13 -a körül helyezkedik el, így az ellentétes irányba tájolva nagyobb energiahozam érhető el [3]. A tetőoldal választásakor szintén figyelni kell arra, hogy árnyékot vető tárgyak ne legyenek a tető előtt. Például, ha a Délre néző oldalon pont van egy másik épület, amely részben, vagy teljesen beárnyékolja a tetőt, akkor nem szabad odatelepíteni a napelemeket, mert az árnyékolás miatt nem fognak számottevő energiát termelni. Ekkor célszerű a Keleti oldalt választani. Azt se felejtjük el, hogy a lehető legmagasabbra helyezzük el a napelemeket a tetőn, mert így is csökkenthető az árnyékoltság veszélyének mértéke. Harmadik lépésként nézzük meg, hogy vannak-e a tetőn zavaró elemek, például szellőzőrácsok, ablakok, parabolaantennák és egyéb tetőszerelvények. Amennyiben vannak, akkor azok áthelyezhetők-e vagy sem? Ezek alapján máris adódik az a felület, amelyre telepíthetünk napelemeket. Mérjük meg, és kiderül, hogy mekkora teljesítményű rendszert helyezhetünk el rajta. Amire figyelnünk kell, hogy a napelemektől a tető alja, teteje és szélei felé legalább 30 cm biztonsági távolságot kell tartanunk. A választott napelem típusától és méreteitől függően, átlagosan négyzetméterenként 150 wattal számolhatunk. Például, ha a tető 10 m 2, akkor maximum 1,5 kw csúcsteljesítményű napelemes rendszert helyezhetünk el rajta. Természetesen ez az érték erőteljesen függ a napelem típusától, annak hatásfokától, a tető szélességétől és hosszától, valamint a biztonsági távolságok betartásáról is gondoskodnunk kell [2, 3]. A tartószerkezet tipikus elemei: tetőhorog (10. ábra a,), alumínium profilsín (10. ábra b,), rögzítő csavarok és csavaranyák (11. ábra), leszorító elemek (12. ábra). 22

23 BODNÁR István a, tetőhorog b, alumínium profilsín 10. ábra: Napelemek ferde tetőn történő rögzítéshez szükséges alkatrészek [3] a, alumínium profilsín tetőhoroghoz történő rögzítéshez hsznált csavar és csavaranya b, napelem-leszorító elemek alumínium profilsínhez történő rögzítéshez hsznált csavar és csavaranya 11. ábra: Napelemek ferde tetőn történő rögzítéshez szükséges alkatrészek [3] A 13. ábra szemlélteti a tetőhorgok cserépfedésű ferdetetőn történő elhelyezését, a 14. ábra pedig a napelem rögzítésének menetét. a, Sorvégi (vég)leszorító b, Köztes leszorító 12. ábra: Napelemek ferde tetőn történő rögzítéshez szükséges alkatrészek [3] 13. ábra: Napelemek telepítésének folyamata [3] 23

24 Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai 14. ábra: Tetőhorgok elhelyezése cserépfedésű ferde tetőn [3] A telepítés menete a következő: 1. Biztosító kötelet feszítünk ki a tetőn, amihez a tetőn dolgozó munkásokat biztonsági karabinerrel rögzítjük. A munkavédelemi szabályok betartása nagyon fontos, hiszen a munkások a magasban dolgoznak, így, ha véletlenül megcsúsznak és leesnek a tetőről, akár halált okozó sérüléseket is szerezhetnek. Ezért a legelső lépés mindig a munkások biztosító kötél segítségével történő rögzítése. Természetesen védősisak viselése kötelező. 2. Ezt követően kijelöljük a tetőhorgok helyeit. A tetőhorgokat mindig a gerendákra kell felcsavarozni, ezért csak azokat a cserepeket kel feltolni, szükség esetén levenni, amelyek alatt gerenda fut, és oda tetőhorgot szeretnénk tenni. A horgokat minimum két darab (általában 3 6 db) 80 mm hosszú, rozsdamenetes facsavarral rögzítjük. Végül a cserepeket visszahelyezzük a helyükre. 3. A méretre vágott alumínium profilsíneket a horgokhoz csavarozzuk, és szintbe állítjuk. 4. A napelemeket felhelyezzük, sorban, egymás után, és közben rögzítjük őket. Természetesen ekkor kell a villamos csatlakozókat is összekötni, mert erre a későbbiekben már nem lesz lehetőségünk. 5. A tartószerkezetet be kell kötni a villámvédelmi rendszerbe, a villamos csatlakozókat pedig az egyenáramú vezetékek segítségével soros, illetve párhuzamos kapcsolások kialakítását követően, csoportonként a túlfeszültség levezetőhöz kell csatlakoztatni. Ezektől a lépésektől kezdődően - a villamos bekötéseket - már csak villanyszerelő szakemberek végezhetik. Ők fogják bekötni az invertert is a váltakozó áramú hálózatba. 24

25 BODNÁR István 5. TELEPÍTÉS IPARI- ÉS LAPOS TETŐN Napelemek ipari és lapos tetőkön történő telepítése az utóbbi években egyre divatosabbá váltak, ez jellemzően a jelentős mértékű állami támogatásnak köszönhető. Az ipari fogyasztók rendszerint olcsóbban jutnak hozzá a villamos-energiához, átlagosan 40%-kal mint a háztartási fogyasztók, ezért ők csak úgy tudnak megtérülő rendszert telepíteni, ha kapnak rá állami támogatást. De nem utolsó szempont az energetikai rangsorban történő feljebb lepés sem. Egyes kezdeményezések szerint a költségek még tovább csökkenthetők, ha például lapos tetőkön egyszerűen csak lefektetik a napelemeket (15. ábra), néha rögzítés nélkül, vagy csak csavaros rögzítéssel [1, 3]. 15. ábra: Lapos tetőn lefektetett napelemek, a legegyszerűbb napelem-tartószerkezettel történő rögzítéssel [1, 3] Ekkor ugyanis nincs szükség tartószerkezetre, így akár 30%-kal is csökkenhet a telepítés költsége. Ezzel viszont több problémát is létrehozunk. A legfontosabb, hogy a rögzítés hiánya miatt a panelek könnyen elmozdulhatnak, elmozdítható és így eltulajdoníthatók. Mindemellett energiatermelés kieséssel is számolnunk kell a helytelen tájolás miatt. Ez annyit jelent, hogy a napelemek teljes életciklusuk során akár 20%-kal is kevesebb villamos-energiát tudnak megtermelni. Ez gazdasági oldalról is kiesést jelent, vagyis nőni fog a megtérülési idő [3]. Éppen ezért a lapos, vagy kvázi lapos (kis dőlésszögű, kisebb, mint 20 - nál) tetőkön érdemes olyan tartószerkezetet alkalmazni, amellyel kedvezőbb dőlésszög érhető el (16. ábra és 17. ábra). E tetőtípusoknál is van lehetőségünk napkövető tartószerkezetet telepíteni (18. ábra). Ilyenkor felmerülő kérdés, hogy a tető mekkora többletterhelést bír el. Ennek függvényében célszerű meghatározni a telepítendő rendszer teljesítményét és a tartószerkezet típusát. Az alkalmazható tartószerkezeti elemek a földfelszíni és a ferde tetőn történő rögzítési megoldásoknál alkalmazhatók kombinációi [2, 3]. 25

26 Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai 16. ábra: Kis dőlésszögű, kvázi lapos tetőre szerelt fixen telepített napelemes rendszer [3] 17. ábra: Lapos tetőn fixen telepített napelemes rendszer [3] 18. ábra: Lapos tetőn Napkövető kivitelben telepített napelemes rendszer [3] 26

27 BODNÁR István 6. TELEPÍTÉS ÉPÜLETEK HOMLOKZATÁN Napjaink legújabb trendjét a napelemes tartószerkezetek területén, az épületek homlokzatára történő rögzítésre alkalmas szerkezeti elemek fejlesztése jelenti (19. ábra). Ez egy teljesen új irányvonalat jelent a napelemes tartószerkezetek, és rendszerek életében. Ez a módszer kiválóan alkalma a nagy homlokzatú, de kis tetőfelülettel rendelkező épületek, például többemeletes társasházak, környezetbarátabbá tételére. Magyarországon nagyon sok 10 emeletes panelház épült főleg a hatvanas években, amelyek mostanára már igencsak korszerűtlenné váltak, annak ellenére, hogy akkoriban a legmodernebb épületek közé tartoztak [3]. 19. ábra: Napelemes rendszer telepítése épület homlokzatán [3] De nem csak panelépületek, hanem ipari csarnokok oldalfalazatai is kiválóan alkalmasak napelemes rendszerek telepítésére. Beruházási költségük általában alacsonyabbak, mint a lapos tetőn történő telepítés esetén. Sőt, bizonyos teljesítménykategóriákban ők képviselik a legolcsóbb megoldást. Mindemellett energiatermelés kieséssel is számolnunk kell a helytelen tájolás miatt. Ez annyit jelent, hogy a napelemek teljes életciklusuk során akár 30%-kal is kevesebb villamos-energiát tudnak megtermelni. Ez gazdasági oldalról is kiesést jelent, vagyis nőni fog a megtérülési idő [3]. 7. TELEPÍTÉS JÁRMŰVEKEN A napelemek járműveken történő telepítése nem csak divatos, hanem hasznos, és környezetbarát megoldás is lehet. Ma már nem csak sétahajókon és teherhajókon, hanem jachtokon és autókon, valamint repülőgépeken is láthatunk napelemeket. A kezdetben házilag történő felszerelést felváltotta a gyárilag történő beszerelés. Manapság már bizonyos járműgyártóknál opcióként felár ellenében kérhetünk gyárilag beépített napelemeket is. A napelemek akár a hibrid hajtások, elektromos motorok villamos energiával történő ellátásában, akár a műszerek, kijelzők, valamint az utasok villamosenergia-igényének fedezésére is alkalmazhatóak. A ábrák szemléltetik a lehetőségeket [3]. 27

28 Napelemek telepítési módjai és tartószerkezeteik típusai 20. ábra: Házi készítésű és gyárilag beszerelt napelemekkel rendelkező napelemes autó [3] 21. ábra: Napelemes sétahajó és teherhajó [3] 8. HORDOZHATÓ NAPELEMEK 22. ábra: Napelemes jacht és repülőgép [3] Az utóbbi években sorra jelentek meg a hordozható kivitelű napelemek, amelyek első sorban hétköznapi elektronikai használati eszközeink töltésére alkalmas kivitelűek. Ilyen például a napelemes mobiltelefon-töltő, illetve a laptop-töltő (23. ábra). Egyes gyártók a napelemet beépítik a laptopba, így még kisebb helyigénnyel rendelkező kisrendszer hozható létre. Ezek a napelemek többé-kevésbé valóban alkalmasak az eszközeink energia-felhasználásának részleges fedezésére [3]. 28

29 BODNÁR István 23. ábra: Napelemes mobiltelefon-töltő és notebooktöltő [3] 9. ÉLETTARTAMOT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK Mivel a napelemek és az őket tartó szerkezetek szélsőséges környezeti körülmények között üzemelnek, ezért az élettartamukat az alábbi legfontosabb tényezők befolyásolják: napsugárzás- hőingadozás okozta sokk, légköri korróziós hatás, esővíz korróziós hatása, talaj kémhatása, talajszemcsék koptató hatása, A tetőkön elhelyezett tartószerkezetek rendszerint alumíniumból készülnek, ezért azok élettartamát kevesebb környezeti tényező befolyásolja, így a várható élettartamuk a napelem várható élettartamával megegyező, vagy hosszabb. A talajra telepített napelemek tartószerkezetei rendszerint bevonatolt (horganyzott, vagy műanyag borítású) acélszerkezetek, amelyek élettartama a mocsaras, illetve sivatagi környezetben igen jelentősen csökken, így sok esetben a napelem élettartamánál jelentősen hamarabb mennek tönkre. Az utóbbi évtizedek tapasztalatai alapján erősen savas, illetve lúgos kémhatású talajokban a horganyzott földcsavarok 6-8 év alatt olyan mértékű átrozsdásodást szenvedtek el, hogy azok cserére szorultak. Hasonló élettartamot figyelhetünk meg sivatagi körülmények között, ahol a sivatagi homok szelek okozta mozgásából származó folyamatos koptató hatása miatt a bevonat teljesen lekopott és a szerkezet meggyengült. 10. ÖSSZEFOGLALÁS Összességében elmondható, hogy a napelemeket igen sokféleképpen telepíthetjük és ennek megfelelően a tartószerkezeteit igen szélsőséges környezeti hatások érik, amelyek következtében gyorsabb tönkremenetel jellemezheti őket, mint magukat a napelemeket. 11. IRODALOMJEGYZÉK [1] BODNÁR, I.: Napelemek rögzítése, Szerelési utasítás. Miskolc, p. 30. [2] MÉSZÁROS, L., SCHOTTNER, K.: Megújuló energiatermelő rendszerek, Napelemes erőművek, Útmutató a napelemes villamosenergia termelő rendszerek tervezéséhez, Magyar Mérnöki Kamara, Elektrotechnikai Tagozat p. 79. [3] Dr. BODNÁR, I.: Napelemek működésének alapjai, a napeleme villamosenergiatermelés elméleti és gyakorlati megvalósítása, Miskolci Egyetem p

30 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN FÁS SZÁRÚ BIOMASSZÁN ALAPULÓ GYORSINDÍTÁSÚ ERŐMŰ LEHETŐSÉGÉNEK FELVÁZOLÁSA DEVELOPMENT OF FAST START-UP POWER PLANT BASED ON WOODY BIOMASS BODNÁR István Ph.D., egyetemi adjunktus, kutatócsoport vezető, Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, Villamos Energetikai Kutatócsoport, H-3515 Miskolc- Egyetemváros Kivonat: A tanulmány egy fás szárú biomassza tüzelőanyagon alapuló gyorsindítású erőmű lehetőségét vázolja. A biomassza olyan megújuló/megújítható energiaforrás, amely energetikai hasznosítása jól szabályozható és független az időjárási körülményektől. Napjainkban a gyorsindítású erőművek turbinagáz, vagy turbinaolaj tüzelőanyagot alkalmaznak, azonban azok fosszilis eredetűek, így kevésbé mondhatók környezetbarátnak. Velük szemben a biomassza környezetbarát megoldást jelenthet a villamosenergia-termelésben, valamint léteznek olyan termikus átalakítási technológiák, amikkel mesterséges gáz (gázosítás) és/vagy olaj (pirolízis) állítható elő. Ezen szintézisgázokkal és szintézisolajokkal működtethetők gázturbinás erőművek, így akár gyorsindítású erőművek is. Kulcsszavak: biomassza, erőművek, gyorsindítású erőmű, gázosítás, gázmotor, gázturbina Abstract: This paper presents biomass fuel-based fast-start power plants. Biomass is a renewable energy source; whose energy utilization is well controlled and independent of weather conditions. Nowadays, fast-start power plants used fuels are turbine gas, turbine oil, but these are of fossil origin, therefore not too environmentally friendly. By contrast, biomass can be an environmentally friendly solution for electricity production, and there are thermal conversion technologies, which can be produced by artificial gas (gasification) and / or oil (pyrolysis). These synthetic gases and synthetic oils can be operated with gas turbine power plants, including fast-start power plants. Keywords: biomass, power plant, fast start-up power plant, gasification, gas engine, gas turbine 1. BEVEZETÉS Napjaink villamosenergia-rendszerében kulcsfontosságú kérdés a szabályozhatóság, és a villamosenergia-fogyasztás változását lekövetni tudó erőművek létesítése. A fogyasztási görbe napi változása mellett a megújuló energiaforrások, mint a napelemek és a szélerőművek ingadozó, lengő teljesítményleadása jelent még megoldásra váró feladatot. Egyre több napelemes rendszer csatlakozik a közcélú hálózatra, azonban ezek pillanatnyi teljesítményét az időjárás jelentős mértékben befolyásolja, így nehezebben tervezhető a termelési görbe, mint egy stabil működést biztosító megújítható biomassza, vagy fosszilis lignit/széntüzelésű erőműnél, valamint egy atomerőműnél. Hazánkban a villamosenergia nagy mennyiségben történő tárolása jelenleg nem megoldott, ezért szükséges olyan erőművek létesítése, amelyek a kieső erőművi teljesítményeket gyorsan képesek helyettesíteni. Erre jelentenek megoldást a gyorsindítású erőművek, amelyek jellemzően nyílt ciklusú gázturbinás típusúak. 2. ERŐMŰVEK A VILLAMOSENERGIA-RENDSZERBEN Az erőművek legfontosabb szerepe a villamosenergia-rendszerben, hogy minden időpillanatban a fogyasztásnak megfelelő mértékben termeljenek villamos energiát. A fogyasztói igények pillanatról pillanatra változnak, amit csak a szabályozóképességgel 30

31 Terhelés [MW] BODNÁR István rendelkező erőművek tudnak követni, ezzel fenntartva a villamosenergia-rendszer egyensúlyát. A napi villamosenergia-fogyasztás, illetve termelés a napi terhelési görbékkel jellemezhető (1. ábra). A napi terhelési görbén megkülönböztetünk mélyvölgy, völgy és csúcsidőszakokat. Mélyvölgy időszakban a legalacsonyabb, csúcsidőszakban a legmagasabb a villamosenergia-fogyasztás. A görbén jól elkülöníthető egy alapterhelés, amely mértéke napszaktól függetlenül állandónak tekinthető, tehát ez az érték, amit folyamatosan rendelkezésre kell bocsátani az energiarendszerben [1]. A völgy és a csúcsidőszakokban a megnövekedett fogyasztást újabb erőművek indításával lehet kielégíteni. Mindezek alapján az erőműveket tovább lehet csoportosítani, osztályozni Mélyvölgy március 18. Vasárnap Délelőtti és Esti Csúcs Völgy Idő [óra] 1. ábra: Napi terhelési görbe A március 18.-ai, vasárnapi napon a terhelési görbén a minimális teljesítmény MW, a csúcsteljesítmény MW értékre adódott. A napi energiaigény 111,29 GWh volt. A hétköznapokon, illetve munkanapokon mért napi terhelési görbén jellemzően nagyobb értékek szerepelnek. Például a március 14.-ei, szerdai napon a minimális teljesítmény MW, a napi csúcsteljesítmény MW, a napi energiaigény 122,05 GWh volt. A villamosenergia-rendszerben betöltött szerepük alapján három fő erőműtípust különböztetünk meg: - Alaperőmű, amely az ország alapterhelését viszi. Működését a zsinórterhelés jellemzi, így csekély szabályozóképességgel rendelkezik [1]. Ezek a legnagyobb villamos hatásfokkal rendelkező erőművek, amelyek működése a Rankine-Clausisuskörfolyamaton alapul. Víz-gőz körfolyamat révén az erőgép gőzturbina, típusát tekintve kondenzációs, így érhető el az akár 32-38%-os villamos hatásfok. Magyarországon a Paksi Atomerőmű tölti be az alaperőmű szerepét. - Menetrendtartó erőműnek nevezzük azokat az erőműveket, amelyek a napi terhelési görbe változásait képesek lekövetni, és azt egyben gazdaságosan képesek megtenni. Viszonylag rugalmasak és nagyobb szabályozóképességgel rendelkeznek, mint az alaperőművek [1]. A menetrendtartó erőművek jellemzően a régebben létesített alaperőművekből alakulnak ki. Gáz, vagy gőzturbinás kialakításúak, és jó villamos hatásfokkal működnek. Magyarországon a Mátrai Erőmű kezdi átvenni ezt a szerepet, de ide sorolhatók a Dunamenti hő- és gázturbinás erőművek is. Jelenleg átmenetet képeznek az alaperőmű és a menetrendtartó erőmű között. 31

32 Fás szárú biomasszán alapuló gyorsindítású erőmű lehetőségének felvázolása - Csúcserőművek biztosítják a napi csúcsfogyasztási időszakokban a megnövekedett villamosenergia-igények kielégítését. A csúcserőművek éves teljesítménykihasználtsága sok esetben a 20%-ot sem éri el. Hatásfokuk rendszerint elmarad az alapés menetrendtartó erőművekétől. A rendkívül rugalmas és gyors indítást lehetővé erőművek tartoznak ide [1]. Jellemzően gáz-, vagy gőzturbinás kivitelűek, de a 2000-es években számos gázmotoros és kombinált ciklusú erőmű épült, amelyek képesek betölteni ezt a szerepet. Ez utóbbiak hőelvételes erőművek, így első sorban csak akkor üzemeltethetők, ha biztosított a folyamatos hőelvétel. Az utóbbi években történő jogszabályi változások következtében a kombinált ciklusú és gázmotoros erőművek jellemzően vagy a távhőszolgáltatók, vagy az ipari fogyasztók energiaigényeit elégítik ki. Egyes erőművek visszaadták a termelési jogot, vagy évek óta állnak. Ugyan nem nevezhető külön erőműtípusnak, de mégis megemlítendő a tartalékerőmű, amely a kieső erőművi teljesítmények gyors pótlására szolgál. Ezek azok az erőművek, amelyek adott esetben éveken keresztül készenléti állapotban vannak, de villamos energiát nem szolgáltatnak. Gyors indíthatóság, nagy rugalmasság, viszonylag kis villamos hatásfok és sokszor gazdaságtalan üzemeltetés jellemzi őket, azonban ezen erőművek nélkül egy esetleges nagyobb erőmű kiesése esetén a villamosenergia-rendszer biztonságos fenntartása megoldhatatlan lenne. Jellemzően nyílt ciklusú gázturbinás erőművek, amelyek tüzelőanyaga turbinagáz, vagy turbinaolaj. Magyarországon jelenleg a Litéri és a Sajószögedi Gyorsindítású Gázturbinás Erőművek jelentik a legfőbb tartalékerőműveket. 3. GYORSINDÍTÁSÚ ERŐMŰVEK A hazánkban üzemelő gyorsindítású erőművek nyílt ciklusú gázturbinás kivitelűek, turbinagáz (földgáz), vagy turbinaolaj (gázolaj) tüzelőanya és 15 percen belül igénybe vehetők. A Magyar Villamosenergia-rendszer UCPTE (1998-tól UCTE Union for the Coordination of Transmission of Electricity, Európai Villamosenergiai Rendszeregyesülés) csatlakozásáról folytatott tárgyalások során a 90-es évek elején megállapították, hogy erőműparkunk összetételéből hiányoznak az üzemzavar esetén gyorsan igénybe vehető tartalékkapacitások. Az együttműködő rendszeregyesülésben résztvevő rendszereknek az UCTE előírásai szerint készenlétben álló tartalékkal is rendelkezniük kell. Ez olyan, gyorsan, ténylegesen igénybe vehető tartalék kapacitás, amely a váratlanul kiesett teljesítmény ideiglenes pótlására szolgál, és mindaddig üzemben marad, amíg a hibát el nem hárították, vagy egyéb az ezt pótló, más kapacitások a hálózatra fel nem csatlakoznak [2]. Az UCTE előírása szerint minden tagország villamosenergia-rendszere készenlétben álló gyorsindítású tartalék kapacitásának legalább a tagország rendszere legnagyobb blokkjának teljesítőképességével kell megegyeznie, következésképpen a Magyar Villamosenergiarendszernek, a paksi atomerőmű egy blokkjának mindenkori teljesítőképességéhez (500 MW) hasonló nagyságú gyorsindítású erőmű kapacitást kellett létrehozni [2]. A körültekintő telephely-kiválasztási eljárás eredményeként, a gyorsindítású gázturbinás erőművek hálózati csomópontok közelében, Földrajzilag egymástól viszonylag távol világbanki, illetve EIB hitel felhasználásával épültek meg [2]: - Litéren a 400/132/35/20 kv-os, illetve Sajószögeden a 400/220/132 kv-os 1998-ban, maximálisan 155 MW teljesítménnyel, az alállomások melletti területen, a nyugati, illetve a keleti országrész legfontosabb hálózati csomópontjaiban; - Lőrinciben 2000-ben, maximálisan 173 MW teljesítménnyel, elsősorban a meglévő és részben hasznosítható erőművi infrastruktúrát, a gazdaságosságot, és a tovább- 1fejleszthetőséget figyelembe véve az egykori Mátravidéki Erőmű telephelyén; 32

33 BODNÁR István - Ajkán 2011-ben, maximálisan 116 MW teljesítménnyel elsősorban a meglévő és üzemelő erőművi infrastruktúrát használva, a gazdaságosságot, és a továbbfejleszthetőséget figyelembe véve az Bakonyi Erőmű telephelyének közvetlen szomszédságában. A gázturbinás erőműveket a következők szerint csoportosíthatjuk: - nyílt ciklusú gázturbinás erőmű, - több fokozatú nyílt ciklusú gázturbinás erőmű, - kombinált ciklusú erőmű. Nyílt ciklusú gázturbinás erőmű esetében csak és kizárólag villamos energiát termelünk. Az üzemanyaga alapesetben tüzelőolaj, vagy földgáz. Működése igen egyszerű az üzemanyag az égéstérbe kerül, amihez kompresszorokon keresztül levegőt adagolnak a minél hatékonyabb égés eléréséhez. Az így keletkezett füstgáz a turbina lapátjaira kerülve elforog a közös tengelyen lévő generátor pedig mozgásba kerül, ami így villamos energiát termel a hálózatra. Az ilyen elven működő erőművek hatásfoka alacsony 35-40%, ugyanis a nyílt ciklus miatt a hő a füstgázzal együtt távozik [2, 3]. Hatásfokát egy gázturbinás erőműnek a következők határozzák meg [2]: - a beszívott levegő hőmérséklete, - a beszívott gáz hőmérséklete, - milyen hatásfokkal rendelkezik maga a turbina, illetve a kompresszor, - milyen a hőátadás képessége. Ezen tulajdonságokat figyelembe véve alakultak ki a korszerűbb nagy hatásfokú zárt, vagy kombinált ciklusú gázturbinás erőművek. Ebben az esetben a levegőt és a gázt a különböző fokozatokból történő megcsapolással melegítik elő. A kiáramlás során pedig a kéménybe épített hő hasznosítókon keresztül a kiáramló hőmennyiséget hasznosítják. Ilyen módon a kombinált ciklusú erőműve egyszerre képesek villamos energia és használati melegvíz előállítására. A megnövelt fokozatok számának változása során az előmelegített hajtóanyag az égéstérbe kerül, ahol a már szintén előmelegített levegővel keveredve a begyújtást követően a füstgáz a turbinára jut. A megforgatott generátor azonos módon a hálózatra táplál, viszont a kéménybe épített hőátadókon keresztül a rendszer melegvizet állít elő. Az eredő hatásfok ilyen módon elérheti akár a 95%-ot is [2, 3]. A 2. ábrán az öt eltérő technológiát megvalósító gázturbinás erőmű rendszertechnikai kapcsolása látható. Az ilyen és ehhez hasonló kapcsolások írják le a legmegfelelőbben az erőművek működését [3]. Színek szerint a következő megoldások láthatók [3]: - hagyományos gázturbinás erőmű (fekete), - hagyományos gázturbinás erőmű dupla kompresszorral (piros), - zárt rendszerű gázturbinás erőmű (kék), - gázturbinás erőmű gőzhasznosító fokozattal (zöld), - gázturbinás erőmű úgynevezett Black Start támogatással (bíbor). Az erőművek szempontjából minden esetben az alapot egy nyílt ciklusú hagyományos gázturbina egy, illetve dupla kompresszorral képezi. A különbségek csak a füstgáz kezelésében térnek el egymástól [3]. 33

34 Fás szárú biomasszán alapuló gyorsindítású erőmű lehetőségének felvázolása 2. ábra: A gázturbinás erőművek közös technológiai ábrája [3] 4. EGY LEHETSÉGES KONCEPCIÓ A gyorsindítású erőművek legfontosabb tulajdonsága, hogy 15 percen belül indíthatók és 100%-os teljesítményig felszabályozhatók. Ilyen gyors szabályozó képességgel kizárólag a gázturbinás és a gázmotoros erőművek rendelkeznek, amelyek hajtóanyaga gáz-, vagy folyékony halmazállapotú. Ebből következik, hogy fás- és lágyszárú biomasszából közvetlenül nem lehet kialakítani gyorsindítású erőművet. A szilárd tüzelőanyagok víz-gőzkörfolyamatú erőművekben egyszerű tüzelés útján kerülnek hasznosításra. Az ilyen erőművek kazánt és gőzturbinát igényelnek, amelyek nagy hőtehetetlenséggel működnek, azaz az indítási és felszabályozási, valamint a leállítási és leszabályozási idők igen hosszúak. Erőmű mérettől függően 8-10 órát, vagy akár 1-2 napot is kitehet a szabályozási idő. Ezért a szilárd tüzelőanyagokat közvetlenül gyorsindítású erőművekben nem alkalmazhatjuk, tehát a technikai körfolyamat megváltoztatásához a tüzelőanyag halmazállapotát is meg kell változtatni. Erre ad lehetőséget a gázosítás. A gázosítás lehetővé teszi, hogy a szilárd tüzelőanyagból gáz halmazállapotú energiahordozót állítsunk elő. Az első faelgázosító berendezés megépítése Gustav Bischof ( ) német vegyész nevéhez fűződik. Ő volt az a híres professzor a Bonni Egyetemen, aki elsőként feltételezte, hogy az aszfalt és a petróleum régen elhalt növényekből alakult ki, továbbá fontos fejlesztéseket tett a szénbányákban alkalmazott robbanásbiztos lámpák területén. A gázosítás ipari alkalmazása 1798-ban kezdődött Angliában, ahol a fából és szénből előállított mesterséges gázokat világításra használták re London közvilágításának több mint 75%-a ilyen mesterségez gázokból volt biztosítva. Az amerikai nagyvárosokban, az 1920-as években is működtek gázgyárak [4]. Egy lehetséges koncepció szerint a szilárd biomasszát első körben elgázosítjuk, a gázosítás során felszabaduló fagázt hűtés és tisztítást követően egy gázmotorban elégetjük, ezzel egy gyorsindítású erőmű kialakítható; a fagáz hűtéséből származó hőt pedig egy gőzturbinára vezetve további villamosenergia termelhető. Ebben a kialakításban a gyorsindítású 34

35 BODNÁR István gázmotoros blokk és a gőzturbinás blokk egyesítésével kombinált ciklusú erőmű hozható létre, amely hatásfoka kiemelkedő (3. ábra). 3. ábra: Egyszerűsített blokkvázlat egy lehetséges koncepcióra A jól megtervezett és kivitelezett gázosító reaktor 15 percen belül be tud állni a termodinamikai egyensúlyi állapotba, így az indítási állapothoz képest a keletkező gáztermék már nem füstgáz, hanem éghető szintézisgáz, így a gázmotoros blokk egyből indítható. A szintézisgáz hűtéséből származó hő vagy hőtőtornyokon keresztül elvezetésre kerül, így egy nyílt ciklusú erőműként működtethető, vagy hőcserélőn keresztül egy gőzturbinát táplál, így kialakítva a kombinált ciklust. A gőzturbináról távozó hulladékhő tovább hasznosítható, vagy a környezetbe elengedhető. Az új típusú erőmű technológiai folyamatát végig tekintve elmondható, hogy nem sokban különbözik a 2. ábrán bemutatott erőműi kialakításokhoz képest. A legfőbb különbséget az jelenti, hogy a gázturbina gázmotorra cserélhető, az égéstér helyébe pedig egy gázosító reaktor kerül beépítésre. Mivel a gázmotorok kisebb teljesítménykategóriában kaphatók, mint a gázturbinák, ezért egészen kisméretű (háztartási méretű) erőművek is építhetők. 5. KÖVETKEZTETÉSEK, ÖSSZEFOGLALÁS A villamosenergia-rendszerben igen fontos szerepet töltenek be a csúcserőművek és a tartalékerőművek, amelyek mindegyikének gyorsindíthatósággal kell rendelkeznie, hogy az esetleges gyors fogyasztói- és termelői teljesítményváltozások, lengések, vagy kiesések káros hatásait ki tudják küszöbölni. Napjainkban gázturbinás erőműveket alkalmaznak e célra, amelyek hajtóanyaga földgáz, vagy turbinaolaj, azonban a gázosítási technológia alkalmazásával lehetőség nyílik arra, hogy e tüzelőanyagok környezetbarát biomasszára cserélhetők legyenek. A biomassza mellett a hazánkban nagy mennyiségben rendelkezésre álló erőműi szén és lignit is alkalmas gázosításra, így igen nagy egységteljesítményű gyorsindítású erőművek is építhetők fagázosításra, vagy széngázosításra alapozva. 6. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Dr. MORVA, Gy.: Villamosenergetika, Edutus Főiskola. Jegyzet p [2] MVM: Gázturbinás erőművek; A tartalékkapacitás fogalma, szerepe a villamosenergiarendszerben, [3] BEREK, L., WASS, A.: Gázturbinás erőműi objektum védelme, Hadmérnök. IX. évf. 2. szám pp [4] BASU, P.: Biomass gasification, pyrolysis and torrefaction, Practical design and theory, Second edition, Academic Press is an imprint of Elsevire, San Diego p

36 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN ENERGIATAKARÉKOSSÁG ÉS KÖRNYEZETTUDATOSSÁG AZ ÉPÍTŐIPARBAN: HŐSZIGETELŐ ANYAGOK ÉLETCIKLUS-ELEMZÉSE ENERGY EFFICIENCY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION IN CONSTRUCTION INDUSTRY: LIFE CYCLE ASSESSMENT OF THERMAL INSULATORS BODNÁR István Ph.D., egyetemi adjunktus, Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, H-3515 Miskolc- Egyetemváros Kivonat: A tanulmány különböző típusú hőszigetelő anyagok életciklus-elemzéséről szól. A leggyakrabban alkalmazott hőszigetelő anyagok közül a polisztirol, a kőzetgyapot és a poliuretán hab alapú hőszigetelőket vizsgáltam GaBi LCA szoftver segítségével. A kapott eredmények arra utalnak, hogy a poliuretán alapú hőszigetelő anyagok mind hőtani, mind környezetterhelési szempontokat figyelembe véve kedvezőbb megoldást jelentenek, mint a hagyományos hőszigetelőanyagok. A PIR hőszigetelő anyag karbonlábnyoma mind az EPS, mind a kőzetgyapot szigetelőhöz képest jelentősen kedvezőbb. Kulcsszavak: energiahatékonyság, környezettudatosság, életciklus-elemzés, EPS, PUR, PIR, hőszigetelés Abstract: This paper presents the Life Cycle Assessment of the different thermal insulators. I investigated the most commonly used heat-insulating materials, such as polystyrene, rockwool, polyurethane. I used the GaBi LCA software. The results show that polyurethane-based heat-insulating materials, considering both thermal and environmental load factors, are a more favourable solution than conventional thermal insulation materials. The carbon footprint of the PIR insulation material is considerably more favourable than EPS and rock wool insulations. Keywords: energy efficiency, environmental protection, Life Cycle Assessment, LCA, EPS, PUR, PIR, insulation 1. BEVEZETÉS Napjaink építőiparában egyre kiemeltebb szempont az energiahatékonyság és a környezettudatosság. A fosszilis energiahordozók kimerítése az utóbbi évtizedekben folyamatosan növekvő tendenciát mutatott. Mivel az épületek és ipari létesítmények fűtése jellemzően fosszilis tüzelőanyagokra alapozott, ezért az épületek energiahatékonyságának javítása elkerülhetetlen. Megoldásként merült fel és napjainkban is alkalmazott módszer a meglévő épületfalazatok hőszigeteléssel történő ellátása, azonban a jövő építőiparában célszerű olyan falazóelemekben gondolkodni, amelyek extra hőszigetelés nélkül is képesek az elvárt hőszigetelési képeséget garantálni. Az energetikai hatékonyság növelés révén érvényesíthetők a környezetvédelmi célok is, azonban nem szabad figyelmen kívül hagyni a szigetelőanyag és a falazóelem gyártása során okozott környezetterhelést, valamint az alkalmazott építő technológia hatásait. 2. ENERGETIKAI HATÉKONYSÁG AZ ÉPÍTŐIPARBAN Napjainkban gyakran emlegetett, szinte kimeríthetetlen téma a hőszigetelés. A gazdasági válság, a globális felmelegedés, a fosszilis energiahordozók fogyása takarékosságra hívja fel az ipar és a lakosság figyelmét. Arra kell tehát törekedni, hogy minél kevesebb energiát használjunk fel, minél kevesebb legyen a széndioxid-kibocsátás. Ezeken felül törekedni kell arra is, hogy minél kevesebb anyagi kiadást jelentsen mindez számunkra [8]. 36

37 BODNÁR István Az építmények csökkentett energia felhasználásának alapján öt kategóriát különböztetünk meg [8]: az alacsony energiafelhasználású ház, amely évente négyzetméterenként 50 kwh-t jelent, ultra alacsony energia felhasználású ház, ennél évi 30 kwh/m 2, passzívház 15 kwh/m 2 év, a nulla fűtési energiafelhasználású ház 0 kwh/m 2 év, autonóm ház, amely szintén nem vesz fel egyetlen energiatermelőtől sem energiát. Ezek igen jelentős eredmények annak a ténynek az ismeretében, hogy egy átlagos méretű családi ház energia igénye egy év alatt kwh/m 2. Meglévő és újonnan épülő házainkat, lakásainkat a jól megválasztott anyagokkal, berendezésekkel és kivitelezéssel az alacsony, vagy akár az ultra alacsony energiafelhasználású házak, illetve lakások közé sorolhatjuk. Az áremelések és a szigorodó szabványok (pl.: zöld kártya) következtében egyre több jól szigetelt, alacsony és ultra alacsony költségvetésű házra találunk példát. A nulla fűtésű és az autonóm ház a térségünkben még csak utópisztikus fogalom [8]. 3. KÖRNYEZETTUDATOSSÁG AZ ÉLETCIKLUS-ELEMZÉS (LCA) SEGÍTSÉGÉVEL Az életciklus-elemzés (LCA- Life Cycle Assessment) napjainkban, az egyik legjobban teret hódító környezetmenedzsment rendszereszköz, amelynek alkalmazása elsősorban az egymást helyettesítő szolgáltatások, termékek és technológiák esetén a legcélravezetőbb. Az LCA kapcsán számszerűsítést és becslést végzünk arra vonatkozóan, hogy egy termék teljes élettartama során (előállítása, annak elosztásán, elhasználásán át a belőle képződő hulladék ártalmatlanításáig) milyen környezeti terheléseket okoz, illetve milyen és mennyi természeti erőforrást használ fel (beleértve az energiakiadásokat is) [1 3]. Az ISO szabvány alapján az életciklus-elemzés a következőképpen definiálható: a termékkel kapcsolatos környezeti tényezők és potenciális hatások értékelésének olyan módszere, amely leltárt készít a termékkel kapcsolatos folyamatok rendszerének bemeneteiről és kimeneteiről; kiértékeli az ezekkel kapcsolatos potenciális környezeti hatásokat; értelmezi a leltári elemzésnek és a hatásértékelés fázisainak eredményeit a tanulmány céljainak figyelembevételével [1]. Az LCA-t eredetileg döntéstámogató eszköznek fejlesztették ki, amely környezeti szempontból tesz különbséget termékek, ill. szolgáltatások között. A teljes elemzések egyszerűsítéséhez lehetőség van a termék életciklusának csak egyes részeit vizsgálni, vagy csak bizonyos hatásokat vizsgálni a termék teljes életciklusát figyelembe véve [1]. A évi CLXXXV. törvényben, amely 2013-ban lépett hatályba, kiemelkedő szerepet kap az életciklus-szemlélet, ami ez által a hulladékgazdálkodás szerves részévé vált. Az életciklus-értékelés elsősorban az egymást helyettesítő termékek és eljárások esetén a legígéretesebb és legcélravezetőbb. Vitathatatlan, hogy a termék életét a kezdetektől a legvégsőkig (amíg hulladék keletkezik belőle, vagy akár ezt követően is) követő életciklus elemzés a környezet védelmét szolgálja [1, 3]. Az életciklus-értékelés egyes szakaszait az 1. ábra szemlélteti, ahol az eredmény szakasz a hatáselemzési szakaszt jelenti. A hatásértékelésnél (ISO 14044:2006 szabvány szerint) a folyamatrendszer input és output áramait környezeti hatáskategóriákba soroljuk, az előző szakasz leltáreredményeinek hozzárendelésével. Minden egyes hatáskategóriára vonatkoztatva meghatározunk egy referencia egységet, majd súlyozzuk őket a rendelkezésre álló hatásvizsgálati módszer segítségével. Az életciklus teljes anyag-, ill. energiamérlegének ismeretében, adott hatásvizsgálati módszer kiválasztásával a kívánt eredményhez jutunk [1, 2]. 37

38 Energiahatékonyság és környezettudatosság az építőiparban: hőszigetelő anyagok életciklus-elemzése 1. ábra: Az életciklus-elemzés (LCA) szakaszai [4] Az elemzések megkezdése előtt célszerű definiálni az elemzés tárgyát és röviden megfogalmazni az elérendő célt. Ezt követően vázoljuk a vizsgálni kívánt folyamat vázlatát, valamint írjuk le az anyag- és energiaáramokat, lehatárolva a rendszert a külső környezettől. Második lépésként ellenőrizzük, hogy érvényesülnek-e az alapvető fizikai törvényszerűségek, az anyag- és az energia megmaradási tételek. Ezek meglétét követően léphetünk tovább a már említett hatásértékelési szakaszba. Az így kapott környezeti hatáskategóriákat összehasonlíthatjuk a referenciaadatokkal, értelmezzük és ezek alapján javaslatot tehetünk a döntéshozók számára [1 3]. 4. HŐSZIGETELŐANYAGOK Az építőiparban számos hőszigetelő anyagot alkalmaznak. Napjainkban a legelterjedtebb két típus a polisztirol és a kőzetgyapot, de egyre nagyobb hangsúlyt kap a poliuretán (PUR/PIR) alapú hőszigetelő is. Néhány hőszigetelőanyag hővezetési tényezője (átlagos érték) [7, 9]: fagyapot: ~ 0,08 W/m K habüveg: ~ 0,05 W/m K expandált polisztirol: ~ 0,04 W/m K kőzetgyapot: ~ 0,036 W/m K poliuretán hab: ~ 0,023 W/m K 4.1. Polisztirol hőszigetelés Az egyik legrégebben használatos műanyag termék az építőiparban a polisztirol hab. A gyártási eljárás alapján két csoportba sorolhatók. A hagyományos expandált polisztirol hab (EPS) és a később kifejlesztett technológiával készülő extrudált polisztirol hab (XPS) [5]. Az expandált polisztirol habok (EPS) alapanyaga a kőolajból előállított, hajtógázt és speciális adalékokat tartalmazó "sztirolgyöngy". A gyöngyöket szakaszos gőzöléssel duzzasztva, sablonban tömbökké formázzák. A tömböket pihentetés után izzószálas vágóberendezéssel a kívánt méretre vágják. A polisztirol elemek a formázás után még egy ideig 38

39 BODNÁR István (kb. 90 nap) egyre csökkenő mértékben zsugorodnak. Ezért azokra a felhasználási területekre, ahol a beépítés utáni zsugorodás műszaki, vagy esztétikai okokból nem megengedhető, a gyártók garantáltan 90 napnál tovább pihentetett terméket ajánlanak. Homlokzati hőszigetelő bevonatrendszereknél csak ezeket használjuk [5]! Mivel az EPS habok 2 4 térfogat-százaléknyi vizet felvehetnek és ez a hőszigetelés értékét lerontja, úgy kell őket beépíteni, hogy nedvességhatás, vagy páralecsapódás ne legyen! Az EPS habok testsűrűsége kg/m 3, hővezetési tényezőjük 0,035 0,045 W/m K. Alkalmazási hőmérsékletük C-ig terjed, tűzállósági besorolásuk: nehezen éghető [5]. Az expandált polisztirol habokat ott célszerű alkalmazni, ahol a hőszigetelés egyúttal teherhordóként, vagy további rétegek aljzataként is funkcionál (padlók, lapostetők, homlokzati bevonatrendszerek hőszigetelése). Mivel az EPS habok nagyon könnyen megmunkálhatók, a nagyobb gyártók sokféle egyedi polisztirol terméket kínálnak (díszítő profilok, lejtésképző elemek stb.) Mind az EPS mind az XPS hab érzékeny az ultraibolya sugárzásra, ezért sem a tartós tárolás során, sem a beépítés után nem érheti napsugárzás [5]! 4.2. Kőzetgyapot hőszigetelés A kőzetgyapot a hazánkban is megtalálható vulkanikus hegységek egyik alkotóeleméből, a bazaltból készül. A szigetelő anyagban egyaránt megtalálható a gyapjú lágysága és a bazalt ereje. A kőzetgyapot elnyeli, illetve megtöri a hanghullámokat ezért alkalmazása hangszigetelési célokra kiváló megoldás. A kőzetgyapot hővezetési tényezője 0,032 0,040 W/m K. A kőzetgyapot szálszerkezetű anyagából fakadóan képes párát átereszteni. A szerkezeten belül a pára szabadon mozoghat. Ezáltal egy jól elkészített kőzetgyapot szigetelés esetén nincs penészedés. Másik szintén az anyagából fakadó tulajdonság, hogy C hőmérséklet felett kezd el csak megolvadni, ezért sokkal tűzbiztosabb a polisztirolnál. Ami egyébként csepegve ég. Az igazsághoz azért hozzátartozik, hogy amennyiben a polisztirol szigetelés megfelelően készül el, ott sem lehet nagy probléma. De egy komoly tűz esetén a falakat a kőzetgyapot nagyságrendekkel jobban védi. Nem segíti a tűz terjedését. Hangszigetelőképességgel is rendelkezik, mellyel a kőzetgyapot felülmúlja a polisztirolt. Nagyobb fajsúlyának és szálas szerkezetének köszönhetően jobban elnyeli a hangokat. Egy olyan helyen, ahol egyébként jelentős zajterhelésünk van, fontos szempont lehet a szigetelőanyag választásánál [6] Poliuretán (PUR/PIR) alapú hőszigetelés A Poliuretán (PUR/PIR) kiváló hőszigetelési paramétereit (hővezetési tényező, λ=0,022 W/m K) a cellák belsejébe zárt pentán (λ=0,013 W/m K) gáznak köszönheti, amely kétszer jobb hőszigetelő a levegőnél. Nem véletlen, hogy a hőszigetelés szempontjából kiemelten fontos területeken, mint pl. a hűtőgépgyártás vagy a hűtőtechnika szinte kizárólag poliuretánt használnak. A PIR az egyik legjobb hőszigetelési paraméterrel rendelkezik az ismert hőszigetelő keményhabok közül, ezáltal új lehetőséget kínál a magyar építőipar számára. Kijelenthetjük, hogy a poliuretán már a jövő terméke, a passzívház szintű energiahatékonysági elvárások elterjedésével a hőszigetelési piac meghatározó termékévé válhat [9]. A poliuretán (PIR) keményhab hőszigetelő termékek alkalmazási területei [9]: magastetők szarufák feletti hőszigetelése (új építés és felújítás esetén), magastetők szarufák alatti hőszigetelése (új építés és felújítás esetén), magastetők szarufák között és alatt/felett, lapostetők, födémek hőszigetelése, padlók, padlófűtések hőszigetelése. 39

40 kg CO2-egyenérték Energiahatékonyság és környezettudatosság az építőiparban: hőszigetelő anyagok életciklus-elemzése A Poliuretán nagyszerű hőszigetelő-képességen kívül számos egyéb kedvező tulajdonságokkal rendelkezik [9]: Magas mechanikai szilárdsága (nyomószilárdság: 100 kpa) lehetővé teszi a komolyabb igénybevételnek kitett területeken történő alkalmazását pl.: terhelhető födémek, szarufák fölötti szigetelés. A poliuretán elemek 28 napos folyamatos vízbemerítés utáni nedvességfelvétele mindösszesen 1,3 tf%. Ezen vízfelvétel is a vágott éleken jelentkezik, mivel a PUR több mint 90 %-ban zártcellás. Szakszerű beépítés mellett ellenáll a penészesedésnek, gombásodásnak, rágcsálóknak, gyenge savaknak, ill. lúgoknak. Biológiailag, fiziológiailag teljesen semlegesen viselkedik, nem okoz allergiás panaszokat, ill. beépítés alatt irritációt a bőrön és a nyálkahártyán. A termékek tartósan -30 és +90 C fok között, rövid ideig akár +250 fokos hőmérsékleten is alkalmazhatóak. Időálló és alaktartó, akár évtizedeken át megtartja méretét és műszaki jellemzőit. Kasírozása, kombinálhatósága révén kiváló tulajdonságai tovább fokozhatók, ill. speciális területeken is alkalmazhatók. Alacsony testsűrűségénél fogva (1 m 3 kb kg) könnyen mozgatható, ill. beépíthető 5. ÉLETCIKLUS-ELEMZÉSI EREDMÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Az elemzések során 1 m 2 felületű és 10 cm vastagságú szigetelőket vizsgáltam a gyártástechnológiára vonatkozóan (gyárkaputól-gyárkapuig terjedő életszakasz). Az elemzések GaBi LCA szoftver felhasználásával készültek. A vizsgált hőszigetelő anyagokra teljes életcikluselemzések is készültek, azonban a várható élettartambeli különbségek és a végfelhasználást követő hasznosítási módszerek eltérő voltából adódóan nehéz összehasonlítani a kapott eredményeket, ezért végül csak a gyártástechnológiára vonatkozó eredmények kerülnek bemutatásra. A 2. ábra az üvegházhatású gázok kibocsátását (GWP) szemlélteti kg CO2-egyenértékben. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 PIR EPS Kőzetgyapot 2. ábra: Hőszigetelő anyagok karbonlábnyoma Amennyiben 1 m 2 felületű és 10 cm vastagságú szigetelő lapot tekintünk, akkor a gyártás során a legnagy üvegházhatású gázkibocsátás az EPS szigetelő gyártása során keletkezik (5,43 kg CO2-egyenérték). A PIR szigetelő 3,5 kg CO2-egyenértékkel a második legjobb és a kőzetgyapot az első a maga 3,29 kg CO2-egyenértékével. Azonban nem hagyhatjuk figyelmen kívül, hogy az egyes hőszigetelők hővezetési tényezője között igen jelentős eltérések mutatkoznak. A 3. ábra ezen különbségeket szemlélteti. 40

41 kg CO2-egyenérték W/mK BODNÁR István 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 0,01 0,01 0,00 PIR EPS Kőzetgyapot 3. ábra: Hővezetési tényezők Amennyiben a hővezetési tényezőre vonatkoztatva ábrázoljuk az üvegházhatású gázok kibocsátását, akkor a 4. ábrán látható eredményeket kapjuk. Megfigyelhető, hogy a fajlagos hővezetési tényező alapján meghatározott üvegházhatású gázok kibocsátása tekintetében a PIR szigetelő harmad akkora kibocsátásért felelős, mint az EPS szigetelő. A kőzetgyapot az EPShez képest mintegy harmadával kedvezőbb eredményt hozott PIR EPS Kőzetgyapot 4. ábra: Hűvezetési tényezőre vonatkoztatott karbonlábnyom Az üvegházhatású gázok kibocsátása (GWP) környezeti hatáskategória mellett a savasodási potenciál (AP), az eutrofizációt okozó anyagok kibocsátási potenciálja (EP), a fosszilis energiahordozók kimerülésére gyakorolt hatás (ADP fossil) és a humántoxicitási potenciál (HTP) is meghatározásra került. A vizsgált hőszigetelő anyagok relatív környezeti hatáskategóriáit az 5. ábra szemlélteti. Egyértelműen látható, hogy a PIR szigetelő gyártása rendelkezik a legkisebb környezetkárosító hatással. Az EPS gyártása 2,5-szer, a kőzetgyapot gyártása pedig 1,6-szer nagyobb hatást gyakorol a környezetre, mint a PIR szigetelő gyártása. Az EPS gyártása a kőzetgyapot gyártáshoz képest is 1,5-szer nagyobb hatást mutat. A kutatómunka folytatásaként további hőszigetelő anyagok és a PIR szigetelő továbbfejlesztett változatainak az életciklus-elemzésének elkészítése tűnik célszerű lépésnek. 41

42 Energiahatékonyság és környezettudatosság az építőiparban: hőszigetelő anyagok életciklus-elemzése GWP 70% 60% 50% 40% PIR HTP 30% 20% AP EPS 10% 0% Kőzetgyapot ADP fossil EP 6. ÖSSZEFOGLALÁS 5. ábra: Hőszigetelő anyagok relatív környezeti hatáskategóriái Az életciklus-elemzések eredményeire alapozva összességében elmondható, hogy a poliuretán alapú hőszigetelő anyag gyártástechnológiája kedvezőbb környezeti kibocsátásokkal rendelkezik, mint a polisztirol és a kőzetgyapot alapú hőszigetelő anyagok gyártása. 7. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A kutató munka az Európai Unió és a magyar állam támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával, a GINOP projekt keretében valósult meg, a felsőoktatás és az ipar együttműködésének elősegítése céljából. 8. IRODALOMJEGYZÉK [1] DR. BODNÁR, I.: Fás szárú biomasszák és települési szilárd hulladékok termikus hasznosítása, Miskolci Egyetem, p ISBN [2] KÓSI, K., VALKÓ, L.: Környezetmenedzsment, Tipotex Kiadó, Budapest, p [3] BODNÁR, I., MANNHEIM, V.: Szerves ipari hulladékok kezelésére szolgáló technológiák vizsgálata környezetterhelési, energiahatékonysági és gazdaságossági aspektusokból, Multidiszciplináris Tudományok, A Miskolci Egyetem közleménye, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, kötet, 1. szám, pp [4] Dr. SZŰCS, E., Dr. BUDAI, I., MATKÓ, A.: Környezetmenedzsment, p [5] (Letöltés dátuma: október 21.) [6] (Letöltés dátuma: 2018.október 21.) [7] Knauf Insulation. p. 96. ( (Letöltés dátuma: 2018.október 21.) [8] (Letöltés dátuma: 2018.október 21.) [9] (Letöltés dátuma: 2018.október 21.) 42

43 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN ÉRINTŐKÉPERNYŐN KONFIGURÁLHATÓ EGYFÁZISÚ, SZINUSZOS VÁLTÓIRÁNYÍTÓ HARDVERES ÉS SZOFTVERES IMPLEMENTÁLÁSA HARDWARE AND SOFTWARE IMPLEMENTATION OF A TOUCH SCREEN CONFIGURABLE ONE PHASE SINUSOIDAL INVERTER BOROS Rafael Ruben Villamosmérnök, tanszéki mérnök, elkruben@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, H-3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: A kutatásom bemutatja az érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálását. Ezenfelül bemutatásra kerül a mikrovezérlővel előállítható SPWM jelgenerálásnak a módszere, a felhasznált mikrovezérlőben alkalmazott időzítő regisztereinek beállítása. Az IGBT kapcsolóelemeit meghajtó áramkörökre különös hangsúlyt fektet a tanulmány, ami tartalmaz különféle elektronikákat és szimmetrikus tápegységeket. A megvalósult hardvert oszcilloszkóppal vizsgálva képet kapunk az SPWM vezérlés előnyeiről, hátrányairól. Az előállított váltakozó feszültség paraméterei érintőképernyőn keresztül beállítható, melyek a következők: amplitúdó, frekvencia, korrekció, pontosság. Kulcsszavak: váltóirányító, inverter, SPWM, IGBT, mikrovezérlő Abstract: My research shows the hardware and software implementation of a touchscreen configurable one phase sinusoidal inverter. In addition, the method of SPWM signal generation will show as well as the register configuration of the timers which is used in the applied microcontroller. The IGBT driver circuits are so important chapter in this case which is included various electronics and symmetric power supplies. The implemented hardware is tested with oscilloscope what is shows that what are advantages and disadvantages of SPWM control. The parameters of the prepared voltage can be configured with a touch screen there are the following: amplitude, frequency, correction, accuracy. Keywords: inverter, SPWM, IGBT, microcontroller 1. BEVEZETÉS Jelenlegi tudományunk szerint nem tudunk közvetlenül váltakozó feszültséget tárolni. Az energiatárolást és hordozást akkumulátorokkal, telepekkel valósíthatjuk meg, melyek csak egyenfeszültséget tudnak előállítani. A legtöbb villamos fogyasztó viszont szinuszos váltakozó feszültséget igényel. Az egyenfeszültségből előállítható váltakozófeszültség, úgynevezett váltóirányítóval. Célom ezen elektronikus átalakító megalkotása. A váltóirányító által előállított feszültség jelalakja szinuszos, a frekvenciája század léptékben állítható, amplitúdója pedig százalékos skálán változtatható. Az előbbi paraméterek érintőképernyőn könnyen beállíthatók, így a potenciométerek, nyomógombok elkerülhetők. A komplex rendszer fő alkotóeleme egy mikrovezérlő, melynek feladata igen összetett. A jelgenerálástól kezdve egészen az érintőképernyő kezeléséig minden feladatot el kell látnia. A kapcsolóelemek megkövetelik, hogy négyszögjelekkel legyenek vezérelve, így lesznek a legkisebbek a kapcsolási veszteségek. A mikrovezérlő négyszögjeleket előtud állítani, így ezt a feladatot eltudja látni. Fontos része lesz még a témának az IGBT kapcsolóelemek vezérlése és galvanikus elszigetelése a mikrovezérlőtől. Ehhez hardveresen egy kissé bonyolult rendszert kell megalkotni. A mikrovezérlőre programkódot kell írni, melyet C nyelven implementálok. Ez a programkód hosszú lett, így csak egyes fontosabb részeit ismertetem. A váltóirányító kimenetének terhelhetősége, hatásfoka az egyenfeszültség nagyságától függ. Univerzálisnak tekinthető ez a berendezés a beállítható paraméterei miatt. Nem célom konkrét felhasználási területre 43

44 BOROS Rafael Ruben méretezni. A kimenetére például köthető ferrit vasmagos transzformátor, így könnyen előtudunk állítani 230 V-os, 50 Hz-es feszültséget. 2. H-HÍD ÉS VEZÉRLÉSI MÓDOK Egyenfeszültségből előállítható váltakozó feszültség úgynevezett váltóirányítóval (angolul inverter). Az egyfázisú váltóirányító, melynek ismertebb neve H-híd, négy kapcsolóelemből áll. A négy kapcsolóelem ki-be kapcsolásával állítható elő a váltakozó feszültség Váltakozó feszültség előállításának módszere A H-híd kapcsolási rajzát az 1. ábra szemlélteti, melyen látható az Ug feszültségforrás, mely egyenfeszültséget táplál. Ezt az Ug egyenfeszültséget alakítja át a négy kapcsolóelem váltakozó feszültséggé, ami lehet bipoláris tranzisztor, IGBT, MOFET, stb. Az IGBT mozaikszó jelentése angolul: Insulated Gate Bipolar Transistor, mely magyarul azt jelenti, hogy szigetelt kapujú bipoláris tranzisztor. A MOSFET mozaikszó jelentése angolul: Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistor, mely magyarul egyszerűen csak fém-oxid félvezető térvezérlésű tranzisztor. Az ábrán jelenesetben IGBT kapcsolóelem van feltűntetve, mivel a továbbiakban csak ezekkel foglalkozok. 1. ábra: A H-híd kapcsolási rajza A négy kapcsolóelemet a G (gate) elektródán kell ki-be kapcsolni, ha térvezérelt elemről van szó, a hagyományos bipoláris tranzisztorokat pedig a B (bázis) lábon kell. A gate elektróda és az emitter elektróda közé feszültségforrást kell kapcsolni. Ha a threshold feszültséget (Uth) meghaladja a G-E elektróda között a feszültségforrás, akkor az IGBT kinyit, megindul a vezetés. Ha a threshold feszültség alá esik, akkor pedig lezár az IGBT és megszűnik a vezetés. A kimeneti fogyasztót az Rt terhelő ellenállás szimbolizálja. Ezen a fogyasztón már váltakozó előjelű feszültség fog esni, így váltakozó áram fog rajta átfolyni. Passzív fogyasztókon a feszültség és az áram iránya megegyezik. A 2. ábrán és a 3. ábrán látható az IGBT elemek ki-be kapcsolásával elért váltakozó feszültség és áram az Rt fogyasztón. 44

45 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása 2. ábra: Az első periódus 3. ábra: A második periódus Látható, hogy az áram és a feszültség iránya megváltozik a kapcsolási állapotoktól függően. Fontos megjegyezni, hogy az IGBT kapcsolóelemeket csak teljesen kinyitott, vagy lezárt állapotban szabad üzemeltetni, mert ekkor a legkevesebb a rajta eldisszipálódott teljesítmény, ekkor melegszik a legkevésbé. Ebből következik, hogy négyszögjelekkel célszerű kapcsolni. A Q1 és Q4 félvezetőt, valamint a Q2 és Q3 félvezetőt mindig egyszerre kell bekapcsolni. Ellenpárhuzamos vezérlést kell alkalmazni, ami azt jelenti, hogy ha pl. Q1 és Q4 nyitva van, akkor Q2 és Q3 zárva. A 4. ábra egy szemléltető példát ad arra, hogy adott vezérlési jelek esetén milyen lesz a kimeneti feszültség-idő függvény. 45

46 BOROS Rafael Ruben 4. ábra: A kapcsolási jelek, és az előállított váltakozó feszültség Az Ut feszültség előjele váltakozik, így már váltakozó feszültségről beszélünk. A vezérlés 180 -os, mert félperiódus ideig tart a vezetés egy kapcsolóelemen Szinuszos impulzusszélesség-modulációs vezérlés Az előző 2.1. alfejezetben láttuk, hogy négyszögjelek vezérlésével a kimeneten is váltakozó négyszögjel jön létre. A legtöbb villamos fogyasztó 50 Hz-es szinuszos váltakozó feszültséget igényel. Mivel az IGBT kapcsolóelemeket csak négyszögjelekkel szabad vezérleni, így szinuszos impulzusszélesség-modulációt (angolul SPWM: Sine Pulse Width Modulation) kell alkalmazni. Ez a módszer azt eredményezi, hogy a vezérlési jelnek az alapharmonikusa szinuszos lesz. Az 5. ábrán látható egy előállított félperiódus, melyet mikrovezérlő valósított meg. A 6. ábra az SPWM módszerével előállított váltakozó Ut kimeneti feszültségidőfüggvényt jelenít meg. Ekkor az alapharmonikus szinuszos lesz, amit a piros görbe jelöl. 46

47 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása 5. ábra: Szinusz alapharmonikust tartalmazó négyszögjelek 6. ábra: Váltakozó feszültség és az alapharmonikus Az ábrán látott kimeneti feszültség a kényes, szinuszos feszültséget igénylő fogyasztók számára alkalmazhatatlan ebben a formában. Ráadásul az Ug feszültséggenerátor általában akkumulátor, melyek 12 V-osak, a fogyasztók viszont 230 V váltakozó feszültséget igényelnek. Így transzformátort kell alkalmazni a kimeneten a feszültség feltranszformálása miatt. Kizárólag ferrit vasmagos transzformátor jöhet szóba, mert a lágyvasas transzformátor vasmagja nem mágnesezhető át nagyobb frekvenciákon. A ferrit vasmag több száz khz frekvencián is átmágnesezhető. A kapcsolási frekvencia növelésével a transzformátor mérete csökkenthető, így sokkal jobban hordozhatóbb lesz a berendezés, kisebb lesz a mérete, súlya. A transzformátor az induktivitásai miatt az áramot nagymértékben simítja a szekunder kimenetén, így a feszültség is simított lesz. A ferrit vasmagos transzformátor induktivitása nem nagymértékű, ezért szükséges még további induktivitást a kimenettel sorba kötni, mely szintén ferrit vasmagos kivitelben készülhet el. Érdemes megemlíteni, hogy az SPWM módszerrel előállított szinusz tartalmaz felharmonikusokat az alapharmonikuson kívül. A kimeneten alkalmazható ennek kiküszöbölésére valamilyen passzív szűrő, mely segíti visszaállítani a tiszta alapharmonikust A kiválasztott IGBT Az általam választott IGBT típusa FGA25N120ANTD. Ennek főbb paramétereit az 1. táblázatban részletezem. Lábkiosztása a következő: 1-Gate, 2-Collector, 3-Emitter. 47

48 BOROS Rafael Ruben 1. táblázat: FGA25N120ANTD IGBT főbb paraméterei [1] Jelölés Paraméter Min Tipikus Max Mértékegység UCES C-E feszültség V UGES G-E feszültség ±20 V IC C áram (TC = 100 C) 25 A Uth G-E threshold feszültség 3,5 5,5 7,5 V Usat C-E szaturációs feszültség 2,65 V Az IGBT előnye, hogy robosztus. A MOSFET-ek és a bipoláris tranzisztorok előnyeit ötvözi. UCES feszültsége magasabb a MOSFET társainál, viszont az IC kollektor árama kisebb, mint a MOSFET ID drain árama. A magas UCES feszültség lehetővé teszi, hogy még egy hídág bővítésével háromfázisú aszinkronmotor-hajtást valósítson meg, mert ott általában 400 V-os effektív vonali feszültség csúcsértéke van a közbenső egyenáramú körben (~565 V). Az IGBT adatlapja szerint a szaturációs feszültség 2,65 V, bár méréseim alapján 0,74 V körüli értékek fordultak elő. Ez a feszültség teljesen kinyitott IGBT esetén a C-E láb között mérhető. Az elfűtött teljesítmény a félvezetőn ettől a feszültségtől nagymértékben függ, ez alapján is méretezendő a hűtőborda. Az IGBT tartalmaz beépített védődiódát az emitter és collektor lába között, bár a megfelelő védelem érdekében célszerű külön beépíteni a 7. ábra alapján. Védődiódákra azért van szükség, mert amikor az IGBT kapcsolóelemeket kikapcsoljuk, a fogyasztó miatt az emitter és kollektor láb között tízezres nagyságrendű feszültség is indukálódhat. Ez akkor következik be, amikor a fogyasztó egy impedancia. Gyakorlatban ritka a kapacitív fogyasztó a váltóirányító kimenetén, ennélfogva induktív fogyasztókról érdemes a továbbiakban beszélni. A kimeneti fogyasztó transzformátor, így az induktív jellegű. A bekapcsolás során energiát tárol mágneses mező formájában, kikapcsolás után ez a fennmaradó energia törvényszerűen akár ívkisülés formájában is elfogy a nagy du/dt miatt. Ennek káros hatása lehet a transzformátor menetzárlata, vagy az IGBT átütése, tönkremenetele. A védődiódáknak célszerű nagysebességűnek lenni, így leginkább a Schottky-dióda jöhet szóba. Használható még Zener-dióda is, amely jól alkalmazkodik túlfeszültség-védelemhez. Schottky-diódák kerültek kiválasztásra, melyek TO-220 tokozásban készültek el. Egy tokozásban két dióda található, melynek katódjai közösek. Sajnos nem alkalmas egy tokozott elem két IGBT védelmére, négy darab szükséges belőlük. Rossz, használt számítógép tápegységekből kiforrasztott diódákat építettem be, melynek egyenként másak a típusai. Nyitóirányú feszültségük mv közé esik mérések alapján. A TO-220 tokozás azért szükséges, mert ezek a diódák 40 A áramot is képesek vezetni, bár ekkor már hűtést igényelnek. Védelmi célokra hűtőborda nélkül is megfelelő hőmérsékleten működik, mivel kevés áram folyik rajta keresztül. 48

49 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása 3. H-HÍD VEZÉRLŐ ÁRAMKÖRÖK 7. ábra: IGBT védődiódákkal A H-hídban található IGBT elemeket az erre a feladatra tervezett áramkörökkel kell ki-be kapcsolni. Célom olyan váltóirányító tervezése, melyben az Ug generátor (akkumulátor) elszigetelődik a külön segédüzemű tápfeszültségtől, tehát nem maga az Ug generátor táplálja a vezérlőáramköröket. Ezt úgy kell implementálni, hogy az IGBT elemeket meghajtó áramkör galvanikusan el legyen szigetelve az 5 V-os mikrovezérlős rendszertől. Így a váltóirányító inkább laboratóriumi körülményekhez alkalmazkodik jobban, mint hordozható, felhasználható készülékhez. Ekkor külön tápegység szükséges a vezérlőáramkörhöz. Használható azonban felhasználási célokra is, ekkor egy akkumulátorról is képes működni a rendszer, bár a mikrovezérlős rendszer és a negatív sín nem lesz galvanikusan elválasztva, mert egy tápegység van felhasználva IGBT meghajtóáramkörök Mint azt korábban említettem, az IGBT akkor nyit ki, amikor nagyobb feszültséget kapcsolunk a G-E láb közé, mint a threshold feszültség. Emlékeztetőül az FGA25N120ANTD IGBT esetén ez maximum 7,5 V. Tehát ezt a feszültséget túl kell lépni. Minél jobban túl lépjük, annál több áramot képes vezetni az IGBT, de a maximális határ ±20 V lehet. Ha kikapcsoláskor nem 0 V-ot alkalmazunk, hanem annál negatívabb feszültséget, akkor gyorsabban ki tudjuk üríteni a G-E láb között lévő kapacitást, tehát hamarabb lezár az IGBT, így kevesebb a kapcsolási idő, kevesebb a kapcsolási veszteség. Adódik egy nagy probléma, hogy az egyes IGBT elemek emitter lábai nem közös potenciálon vannak, kivéve a Q2 és Q4 elemet, mert ott közös. Tehát létre kell hozni olyan szimmetrikus tápegységet, mely minimum három különböző földpotenciállal rendelkezik, bár a jobb zavarszűrés érdekében a négy jobban megfelel. Az UGES feszültséget ±12 V-nak választom meg, így négy ±12 V-os szimmetrikus, stabilizált feszültségforrásra van igény, ekkor jöhet szóba a ferrit vasmagos transzformátor, mely kapcsolóüzemű tápegység szerepét tölti be, vagy alternatívaként hálózati lágyvasas transzformátor, melynek mérete, súlya sokkal nagyobb lesz, mint az egy darab ferrit vasmagos transzformátoré. A ferrit vasmagos transzformátort viszont ki kell egészíteni egy vezérlő áramkörrel, és méretezést igényel. 49

50 BOROS Rafael Ruben 3.2. Ferrit vasmagos kapcsolóüzemű transzformátor méretezése Ami elsőnek kikötést igényel, az a transzformátor primer tekercselésére jutó feszültség nagysága. A szekunder oldalon diszkrét elemeken keresztül stabil ±12 V-ot szükséges előállítani. Érdemes 78xx és 79xx típusú feszültségszabályzó integrált áramköröket használni, melynek bemenetére legalább 2,5 V-al nagyobb feszültséget kell kapcsolni, mint a kimenetén várandó es IC (angol mozaikszó: Integrated Circuit rövidítése) + 12 V-ra szabályoz, a 7912 pedig -12 V-ra. Így a bemenő feszültség az IC-ken legalább ±14,5 V kell legyen. Továbbá a szekunder tekercselésekre Graetz-egyenirányítóhidat szükséges kötni, ezen is feszültségesés jön létre, mely körülbelül 1,2V. Ezeket figyelembe véve a szekunderoldalon minimum 12 V + 1,2 V + 2,5 V = 15,7 V feszültségnek kell létrejönni. Mivel szimmetrikus tápegységre van szükség, ezért a negatív feszültségnek -15,7 V-nál kevesebbnek kell lennie. A transzformátor áttétele még egy fontos kérdés a primer oldali feszültség megválasztásához, ezt egyszerűség kedvéért 1-nek választom. Így a primer oldalon tehát 15,7 V-nak kell lenni minimum, de a veszteségek, a hatásfok a transzformátoron ezt nagyobb értéknek követeli meg. Egyszerűség kedvéért érdemes szabályozható tápegységet kapcsolni a primer oldalra. A transzformátor méretezéséhez ismerni kell a vasmag effektív keresztmetszetét. Az ETD 39 vasmag esetén ez adott, mely A = 123 mm 2 = 1,23 cm 2. Ferrit vasmagok esetén a megengedett indukció tapasztalat szerint legfeljebb 300 mt körüli értéket mutat. Érdemesebb alacsonyabb indukcióra méretezni, így kevésbé telítődik a vasmag, nem áll fent a veszélye a túltelítődésnek, a túlzott felesleges és káros melegedésnek. Legfontosabb paraméter a kapcsolási frekvencia, mely minél nagyobb, annál kevesebb menetszám, kisebb vasmagkeresztmetszet szükséges. Legyen 20 khz, mert a primer tekercset N-csatornás MOSFET fogja kapcsolgatni, és azt egy mikrovezérlő fogja ki-be kapcsolni. Sajnos a végtelenségig nem növelhető a frekvencia, a mikrovezérlő és a MOSFET határt szab erre. Az 1. számú képlettel meghatározható az, hogy mennyi menet szükséges 1 V feszültséghez. N U = ,4 B A f (1) Behelyettesítve a képletbe: N U = ,4 0,2 1, = 0,462. A primer oldalon 16 V közeli feszültségérték van, tehát az NU értékét 16-al megszorozva megkapjuk a primer oldali menetszámot: N primer = N U 16 = 0, = 7,39. Ha nem egész érték a végeredmény, akkor feljebb célszerű kerekíteni, így kevesebb lesz az indukció a vasmagban, tehát nyolc menet szükséges a primer oldalon. A szekunder oldalon is megegyezik a menetszám, mivel a transzformátor áttétele 1, így Nszekunder = 8. A 8. ábra szerint kell kialakítani a transzformátor tekercseléseit, a menetszámok fel vannak tüntetve minden egyes tekercshez. Nagyon fontos a tekercselési irány, ezt külön egy kör jelöli. Minden tekercset azonos irányban kell felcsévélni, így lesznek helyesek a feszültség irányok. A transzformátor primer tekercselését Atmega328- PU mikrovezérlő kapcsolgatja IRLZ44N MOSFET-tel. A vasmag, a csévetest és a készülőben lévő tekercselés látható a 9. ábrán. A rézhuzal átmérője 0,4 mm, mely 2,5 A/mm 2 áramsűrűség mellett 320 ma körüli áramot képes vezetni elfogadható hőmérsékleten. Mérések alapján körülbelül 215 ma áram folyik a primer tekercsen. 50

51 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása 8. ábra: A középmegcsapolásos transzformátor 9. ábra: Szimmetrikus tápegység transzformátor tekercselése 3.3. Stabilizált szimmetrikus tápegység A transzformátor szekunder oldala középmegcsapolásos kivitelű, így lehetőség van szimmetrikus tápegység készítésére egyszerűen. A 10. ábra általános kapcsolási rajzot mutat, amin az egyenirányító-híd, feszültségkorlátozó ellenállás, feszültségstabilizátor, szűrő és pufferkondenzátorok találhatók. A Graetz-híd 6 A áramot képes egyenirányítani megfelelő melegedés mellet. A feszültségkorlátozó ellenállás 2,2 kω értékű, vele párhuzamosan kötött 51

52 BOROS Rafael Ruben elektrolitpufferkondenzátor 10 µf értékű. A feszültségstabilizátorok LM7812 és LM7912 típusúak. Ezeknek a kimenetén 100 nf értékű kerámiakondenzátor és 100 µf kapacitású elektrolitkondenzátor található. A 10. ábrán mutatott kapcsolásból négy ugyanilyet kell kivitelezni. Az így létrejövő szimmetrikus feszültséget a következőkben bemutatott FOD3120, vagy HCPL-3120 típusú áramkörök igénylik FOD3120 és HCPL-3120 áramkörök 10. ábra: Szimmetrikus stabilizált tápegység Lehetőség van rá, hogy olyan áramköröket használjunk fel, melynek bemenete optocsatolóval rendelkezik és a kimenete alkalmas MOSFET, vagy IGBT vezérlésére. Erre alkalmas a FOD3120, vagy alternatívaként HCPL-3120 áramkörök. A FOD3120 áramkör funkcióblokkját láthatjuk a 11. ábrán, a HCPL-3120 áramkörének szintén nagyon hasonló, csak a push-pull kimenet kapcsolóelemei tranzisztor és FET. 11. ábra: FOD3120 áramkör funkcióblokkja [2] Az alábbiakban a lábkiosztást sorolom fel: 1 NC: angol mozaikszó: Not Connected, mely azt jelenti, hogy nem csatlakozik semmihez, nem kell rá kötni semmit, 2 Anode: az optocsatoló LED-jének az anód lába, 3 Cathode: az optocsatoló LED-jének a katód lába, 5 Vss: ide az IGBT G-E lábai közé kötendő feszültség negatívabb pontját kell bekötni, esetemben a -12 V-ot, 6 és 7 VO1 ésvo2: a meghajtóáramkör kimenete, az IGBT G lábára kell kötni. Itt jelenik meg a +12 V vagy a -12 V, 8 VDD: ide az IGBT G-E lábai közé kötendő feszültség pozitívabb pontját kell bekötni, esetemben a +12 V-ot. Az áramkör adatlapja szerint 1414 V a megengedett maximális feszültség, amit biztonságosan el tud szigetelni az optocsatoló bementétől. Legfeljebb 50 khz kapcsolási 52

53 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása frekvenciára képes az áramkör, ami esetemben kielégítő. A HCPL-3120 áramkör paraméterei hasonlóak, lábkiosztása megegyezik. Az áramkör kimenetét a bemenetén lévő LED ki-be kapcsolásával lehet megváltoztatni. Amikor a LED-et bekapcsoljuk, akkor az áramkör kimenete a pozitívabb feszültséget kapcsolja az IGBT-re. A LED kikapcsolása esetén a negatívabb feszültséget vezéreli ki. A 12. ábrán egy tesztelési folyamat látható. 12. ábra: FOD3120 áramkör működésének vizsgálata Az oszcilloszkóp 1-es csatornájára a LED-re jutó feszültséget, 2-es csatornájára pedig az áramkör kimenetét kötöttem. A LED-re 470 ohm értékű ellenálláson keresztül 5 V-os négyszögjelek jutnak, melyet mikrovezérlő állít elő, a kimeneten ±12 V van jelen. Ekkor az időskála 10 µs-ra volt állítva. Látható, hogy a bemeneti változást igen gyorsan követi a kimenet, szinte fázisban vannak. 4. ATMEGA 2560 MIKROVEZÉRLŐS RENDSZER Az SPWM jel előállításához mikrovezérlőt alkalmazok. Feladatai a következők: SPWM jelek előállítása a H-híd számára, érintőképernyő meghajtása, melyről adatot kér be a felhasználótól, és a paraméterek kiírása. Hat menüpont jön létre a kijelző kezdőképernyőjén: kimenetek kezelése, frekvencia beállítása, amplitúdó beállítása, felbontás beállítása, korrekció beállítása, paraméterek megtekintése AVR mikrovezérlőről általánosan A mikrovezérlő, vagy mikrokontroller egy integrált áramkör, mely elektronikus úton programozható. Legfőbb részei: Központi Vezérlő Egység (CPU), memóriák, Aritmetikai Logikai Egység (ALU), EEPROM (háttértárként memória), flash memória (itt tárolódik a végrehajtandó program), perifériák (I 2 C, Soros port kommunikáció, időzítők, A/D átalakítók, stb). A mikrovezérlő legkedvezőbb tulajdonsága, hogy a flash memóriát akár tízezerszer is újra programozhatjuk, így elég sokszor módosíthatjuk a programunkat, és kipróbálhatjuk. A megvalósítandó célokra az Atmel ATmega 2560 mikrovezérlő alkalmazkodik gazdaságosan. Az összetett rendszer megkívánja a hosszabb programírást, nagyobb memória méretű áramköröket, mivel sok globális változót kell deklarálni a programírásakor. Ez a dinamikus memóriát nagymértékben fogyasztja. Az ATmega 2560-as áramkörnek 8192 bájt méretű a dinamikus memóriája, ami alkalmas a kitűzött célokhoz. Nagyrészét majd a szinusz értékek tárolására szolgáló tömbök fogják lefoglalni, melyből két darab lesz deklarálva. Ez a 53

54 BOROS Rafael Ruben mikrovezérlő önmagában külső elemek nélkül nem működőképes. Kvarcokat, kondenzátorokat, soros port USB illesztőt, feszültség stabilizátort, csatlakozókat stb. igényel. Az ATmega 2560 IC TQFP-100 tokozású, melyet DIP tokozásúvá egyszerűen átalakíthatjuk a 13. ábra szerint. Így ebbe a panelba tüskesort beforrasztva egy forrasztható próbapanelba beillesztve hozzárendelhetjük a további szükséges diszkrét elemeket. A TQFP-100 tokozású áramköröknek 0,5 mm lábtávolsága van, ezért óvatos beforrasztást igényel. 13. ábra: ATmega2560 mikrovezérlő 4.2. SPWM jel előállítása 16-bites időzítővel Az ATmega2560 mikrovezérlő tartalmaz kettő 8-bites és négy 16-bites időzítő áramkört. A 16-bites időzítőkkel sokkal nagyobb pontosság érhető el, így a 8-bites időzítő használatát mellőzöm. A négy darab 16-bites időzítőből csak egyre van szükség. A négy időzítőnek külön neve van, melyek a következők: Timer/Counter 1, 3, 4, és 5. Ezek közül a Timer/Counter 1-et fogom felhasználni. Legegyszerűbb esetben a 16-bites számláló 0-tól ig felszámol, a számolt érték a TCNT (Timer/Counter) regiszterben található. A számolási sebesség a mikrovezérlő órajelétől, mely jelen esetben 16 MHz, és ha be van kapcsolva, akkor a frekvenciaosztó beállításától függ. Amint a számláló elérte a értéket, akkor túlcsordul, és elölről kezdi a számolást. Túlcsorduláskor a TIFR1 (Timer Interrupt Flag Register) regiszterben található TOV1 (Timer/Counter Overflow) flag-et bekapcsolja. Ekkor megszakítás jön létre és a mikrovezérlő az ISR(TIMER1_OVF_vect) vektorban megírt utasításokat végrehajtja, TOV1 flag-et kikapcsolja. Ezek után a folyamat elölről kezdődik. Az előbb ismertetett módszerrel pontatlan frekvenciájú és 50 % kitöltési tényezőjű négyszögjelet lehet előállítani. Számos PWM előállítási módszert állíthatunk be. A mód beállításokat a TCCR1A és TCCR1B regiszterek egyes értékének átírásával érhetjük el. Az SPWM jel előállításához a Fast PWM (gyors impulzusszélesség-moduláció) mód aktiválása szükséges. A Fast PWM móddal előállítható jelalakot a 14. ábra szemlélteti. 54

55 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása 14. ábra: Fast PWM mód Fast PWM módban a számláló nem ig számol fel, hanem meghatározott top (angolul: felső) értékig, ami legfeljebb lehet. TOV flag beállítása akkor következik be, amikor a számláló eléri a top értéket. A top érték meghatározza a kapcsolási frekvenciát, és a periódusidő nagyságát. top értékét az ICR (Input Capture Register) regiszter tárolja. A kitöltési tényező nagyságát pedig az OCR (Output Compare Register) regiszter értéke állítja be. Ebből a regiszterből hármat is aktiválhatunk, melyek egymástól függetlenül működnek. Minden ilyen regiszterhez tartozik egy kimenet is a mikrovezérlőhöz, ezek az OC (Output Compare pin) lábak. Ezekkel tudjuk az IGBT meghajtóáramköröket kapcsolni. Az OCR regiszter értéke és a TCNT regiszter értéke össze van hasonlítva folyamatosan. Ha a TCNT értéke eléri a beállított OCR értéket, akkor a kimenet kikapcsol az OC lábon nem-invertáló módban. Két kimenet szükséges a H-híd vezérléséhez, így aktiválásra kerül az OCR1A és OCR1B regiszter. Minden egyes periódusban OCR1A és OCR1B értékét módosíthatjuk, így minden periódusnak a nagysága változhat. A megírt programkód alapján a mikrovezérlő a következő struktúrát alkalmazza, melynek folyamatát sorrendben felsorolom: Az alábbi képlettel kiszámolja a periódus nagyságát, amit a top értékével is egyenlővé tesz: periodus =. A frekvencia itt az alapharmonikus frekvenciát frekvencia felbontas jelöli. top értékét az ICR1 regiszterben kell eltárolni, tehát ICR1 = periodus. A kezdőértékek: frekvencia = 50 Hz, felbontás = Például, ha frekvencia = 50 Hz, felbontas = 512, akkor a periodus = 625. Ügyelni kell, hogy felbontas értéke nem lehet nagyobb, mint Két tömbben eltárolja a szinusz függvénnyel legenerált értékeket, melyek bizonyos határok között vannak ( ig). Ezeket a dimenzió nélküli számokat megszorozva az amplitudo változó értékével változtatható lesz a kitöltési tényező, így a fogyasztóra jutó feszültség amplitúdó nagysága is, Amikor az értékgenerálás lezajlott, elindul a kiolvasás a szinusz tömbökből. A kiolvasás lépéseinek számát a felbontas értéke adja. Minden megszakítási folyamatban (amikor TOV aktiválódik) az ISR(TIMER1_OVF_vect) nevezetű vektorban megírt utasítások végbe mennek. Ezen utasítások száma csekély, csak az OCR1A és OCR1B érékét változtatja meg, minden egyes periódusban. Minél nagyobbak az OCR értékek, annál hosszabb ideig van bekapcsolva kimenet, tehát annál nagyobb a kitöltési tényező. Ezek az OCR értékek a szinusz értékek miatt először 0-ról növekednek egészen a periódus értékéig, majd visszacsökken 0-ra. Ha az érintőképernyőn megváltoztatunk egy paramétert, akkor a szinusz tömbök értékeinek az újra generálása játszódik le, majd ezen értékeket olvassa ki a későbbiekben. 55

56 BOROS Rafael Ruben Tömören, nagyvonalakban így állítható elő szinusz alapharmonikust tartalmazó négyszögjelsorozat. A programkódnak a szinusz értékeket generáló részletét kiemelem a 15. ábrán. Fontos, hogy a tömb méretének a növelése, így a felbontás nagysága nagymértékben telíti a dinamikus memóriát. Legfeljebb 10-bites felbontást lehet beállítani, ettől feljebb már a hardver adottságai nem teszi lehetővé a felbontás növelését. Egy teljes szinusz periódus a felbontásban megadott lépést igényel. Két félperiódus generálódik 0-tól 180 -ig, ehhez a felbontás lépéseinek a fele szükséges (max. 512). Ekkor csak pozitív értékek fognak létezni. Az egyik tömbben 0 érték tárolódik egészen a felbontás számának a feléig, míg a másikban a generált értékek, mert soha nem lehet két kimenet bekapcsolva egyszerre. Mindegyik kimenet legfeljebb félperiódusig van kapcsolgatva, ekkor a másik kimenet kikapcsolt ekkor egészen végig OCR értékek = 0). A regiszterek beállítása a következő lesz, melyeket kettes számrendszerben érdemes beállítani az egyszerűség kevéért: -TCCR1A: 0b ; nem-invertáló Fast PWM mód beállítása, -TCCR1B: 0b ; frekvenciaosztó beállítása, valamint Fast PWM mód beállítása -TIMSK1: 0b ; ezzel engedélyezzük a TOV1 Flag használatát -DDRB = 0b , a 24, 25, 26-os lábak kimenetként vannak beállítva a D porton. 15. ábra: ujrageneralas függvény 56

57 Érintőképernyőn konfigurálható egyfázisú, szinuszos váltóirányító hardveres és szoftveres implementálása 5. A KÉSZ ÁRAMKÖR MÉRÉSE, NEXTION HMI ÉRINTŐKÉPERNYŐ Az előző fejezetek alapján elkészült áramkörök és a programkódok mérés szerint a 16. ábrán látható feszültség-időfüggvényt hozzák létre. Ekkor az Rt értéke 10 Ohm volt, UG értéke pedig 15,9 V. A felbontás re volt állítva Hz frekvencián, 100%-os kitöltési tényező mellett, korrekció alkalmazás nélkül. 16. ábra: Az előállított váltakozó feszültség A kijelzőről az alábbi paraméterek módosíthatók: kimenetek ki-be kapcsolása, alapharmonikus frekvencia, amplitúdó, felbontás, korrekció. A főmenüben kiválaszthatók a beállítási lehetőségek (17. ábra). Példa kedvéért látható a frekvencia beállítása a 18. ábrán. 17. ábra: Főmenü első és második oldala 57

58 BOROS Rafael Ruben 18. ábra: Frekvencia beállítása 6. ÖSSZEFOGLALÁS A kitűzött feladatot sikeresen megvalósítottam, az áramkör a vártaknak megfelelően működik. Célom a továbbiakban a kész áramkör optimalizálása, valamint szűrő készítése, mellyel kisimítható az áram és a feszültség a kimeneten. Amint ez sikerül, a szűrőáramkörök méretezése kerül sorra. Az áramkörök méretét érdemes lenne csökkenteni SMD alkatrészek beépítésével, valamint egy panelra integrálni minden elemet, így az elektromágneses zavaroknak jobban ellenáll. Korábbi kutatásaim során ebben a dolgozatban alkalmazott IGBT/MOSFET meghajtóáramkörök helyett IR2113 IC-t használtam fel vezérlési célokra, melyek nem megfelelően működtek, valószínűleg nem eredeti áramkörök felhasználása lehetett a probléma. Az IR2113 áramkör viszont nem igényel külön kapcsolóüzemű tápegységet kialakítása miatt, ennélfogva ennek az áramkörnek az alkalmazásával nagymértékben lecsökkenthető a rendszer fizikai mérete, valamint egyszerűsödik is a kialakítása, a kapcsolóüzemű transzformátor elhagyása pozitív hatással van a rendszerre. A kapcsolóüzemű transzformátor szórt fluxusa az IGBT/MOSFET kapcsolóelemeket igen zavarja. Remélem, hogy későbbiekben a kész áramkör kibővítésre kerül úgy, hogy 3 fázisú váltóirányító készülhessen el belőle, mely képes legfeljebb 2,2 kw hatásos teljesítményű aszinkronmotorok frekvenciaszabályozására. Az ATmega 2560-as mikrovezérlő alkalmas lenne a célra, a PB7 kimenetet, azaz a 26-os lábat egy harmadik hídág vezérléséhez kéne felhasználni. Egy ilyen rendszert IR2113 vezérlőáramkörrel a szakdolgozatomban terveztem meg. A méréséket itthon PC alapú USB-s oszcilloszkóppal végeztem, melynek pontos típusa: HANTEK 6104BC. Ez az oszcilloszkóp 4 csatornás, 100 MHz-es, 1 GSa/s mintavételezési sebességre képes. A méréseken látható keskeny impulzusok, melyek hirtelen előjelet is váltanak mérési hibákból származik, nem az áramkör által előállított feszültség valós értéke. Érdemes lenne magasabb minőségű oszcilloszkóppal elvégezni a méréseket újból. 7. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] FAIRCHILD SEMICONDUCTOR: FGA25N120ANTD. 2013, p. 9. [2] FAIRCHILD SEMICONDUCTOR: FOD3120 High Noise Immunity, 2.5A Output Current, Gate Drive Optocoupler. 2016, p

59 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN ELEKTROMOS MOTORVONAT TERVEZÉSE BÉCSI VILLAMOS FELHASZNÁLÁSÁVAL PLANNING AN ELECTRIC MULTIPLE-UNIT TRAIN FROM THE VIENNESE TRAM CSEHI Bálint 1, BODNÁR István 2 1 Villamosmérnök BSc hallgató, junior kutató, cs.balint98@gmail.com Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, Villamos Energetikai Kutatócsoport, H-3515 Miskolc-Egyetemváros 2 Ph.D., egyetemi adjunktus, kutatócsoport vezető, vegybod@gmail.com Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, Villamos Energetikai Kutatócsoport, H-3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: A tanulmány az SGP E1 típusú villamoskocsik keskeny nyomközű motorvonattá átépítésének lehetőségeit ismerteti, főképp elektronikai és akkumulátorkapacitás szempontból. Összehasonlítja egy ismert paraméterű kisvasúti szerelvénnyel a villamost, hogy meghatározható legyen, alkalmassá tehető-e a pálya bejárására. Elemzi a villanymotorok energiaellátásának problémáját, közelítő becsléssel megadja a szükséges energiamennyiséget, majd ajánlásokat készít különféle akkumulátorok felhasználhatóságára. Kulcsszavak: Bécsi villamos, SGP E1, MK 48 mozdony, akkumulátor, kisvasút Abstract: In this paper the SGP E1 tram transforming to narrow-gauge multiple unit is presented. We present the available battery technologies, calculate the minimum necessary energy, and choose the best battery type for this role. Compares the tram with the known low-profile rail system, whether it can be fit for the track. It analyzes the problem of power supply of electric motors, estimating the amount of energy required, then makes recommendations for the use of batteries. Keywords: Bécsi tram, SGP E1, MK 48 locomotive, battery, narrow-gauge railway 1. BEVEZETÉS A keskeny nyomközű vasút Magyarország gazdaságában már az 1920-es évek óta kiemelt szerepet játszik, főleg az erdő- és bányagazdálkodásban, illetve a vidéki, lokális áruszállításban. A háború utáni időkben egyes vidékeken a kisvasutak lettek az egyedüli közlekedési lehetőségek, azonban a 90-es évek óta már a turizmus a fő fenntartója ezeknek a vállalatoknak. 2. A KISVASÚTRÓL RÖVIDEN 2.1. A kisvasutak szerepe A kisvasutak többnyire erdei környezetben, sokszor természetvédelmi területeken haladnak át, ahol fontos szempont a környezet kímélése. Ilyen téren 1960-ban történt utoljára előrelépés, amikor a gőzvontatást elkezdte felváltani a dízelvontatás. Ennek megfelelően a legelterjedtebb vontató járművek a magyar gyártású MK48, illetve C50 típusjelzésű dízelmozdonyok lettek. Bár az MK48-ból utólagos átalakítással készült hibrid mozdony is, ilyenből jelenleg csak kettő található az országban. A LÁEV-nél szolgálatot teljesítő hibrid mozdonyt november 14- én állították forgalomba (1. ábra) [1]. 59

60 CSEHI Bálint, BODNÁR István 1. ábra: A LÁEV számára átalakított hibrid MK48 mozdony. Jól látható különbség a széria mozdonyokhoz képest: a kocsiszekrény rövidebb vége feleslegessé vált, így elbontották [1] Az MK48 mozdony Az MK48 (2. ábra) jelzésű mozdony a Rába Vagon- és Gépgyár által 1959-ben tervezett keskeny nyomközű vontatójármű. Részben a Ganz gyár termékeire épül, így például a Ganz hathengeres dízelmotorját és a Camot sorozatú motorkocsik forgóvázát alakították át erre a célra [2, 3]. A mozdony műszaki paraméterei a következők: - Ütközők közötti hossz: mm - Tengelyelrendezés: B B - Szolgálati tömeg: kg - Tengelyterhelés: 4,4 tonna - Motor: Ganz VI Js 13.5/17 soros hathengeres négyütemű dízelmotor - Vontatási teljesítmény: 100 kw - Legkisebb fordulókör sugara: 50 méter 2. ábra: Egy MK48 mozdony járja körül a négy BAX kocsiból és az egy akadálymentesített kocsiból álló szerelvényt [3]. 60

61 Elektromos motorvonat tervezése Bécsi villamos felhasználásával 3. BÉCSI VILLAMOSBÓL MOTORVONAT Miskolc 2002 és 2004 között vásárolt használtan E1-es villamosokat, valamint C3-as pótkocsikat. A rendkívül korszerűtlen és a pályát nagy mértékben rongáló magyar gyártmányú Bengáli (FVV CSM) villamosok cseréje halaszthatatlan volt, de új járműveket nem tudtak beszerezni, így jött szóba a Bécsben használt villamosok vásárlása. Csak ideiglenes szerepet szántak nekik, amíg meg nem érkeznek az új villamosok. Összesen 18 darab került utasforgalomba, valamint volt még egy plusz tanulójármű is. Az első szerelvény március 14-én állt utasforgalomba Miskolcon. Beszerzésükkor kisebb módosításokat hajtottak végre: főáramú helyett 24 V-osra cserélték a világítást, és teljesen zárt vezetőfülkét építettek be, korszerűsítették a fűtést és az utastérben a bal oldali kettős üléssort egysorosra cserélték. Mivel ezek a járművek egyirányúak csak a 2-es vonalon tudtak közlekedni, illetve amikor létezett még a 0-ás viszonylaton (Újgyőri Főtér Vasgyár közötti körpályán) is felbukkantak [5]. A Miskolc Városi Közlekedési Zrt.-nél 2015-ben leselejtezték az eddig használt Bécsi E1 típusú villamosokat. Nosztalgiakocsinak a 185-ös pályaszámú járművet jelölték ki, amelyet a Miskolci Egyetem november 9-én a Magyar Tudomány Ünnepe alkalmából szervezett Konferencián a Selmeci Diákhagyományoknak megfelelően megkeresztelt és a Villamosmérnöki Tanács Tiszteletbeli Tagjának választott. Ezzel a villamos Bécsi, Alias Ampervadász Piroska néven a Miskolci Egyetem Díszpolgára lett. A többi, leselejtezett villamost eladták, illetve közösségi célokra elajándékozták. Ezekből kettőt a Lillafüredi Állami Erdei Vasutat üzemeltető Északerdő Zrt. vásárolt meg, abból a célból, hogy elektromos motorvonattá alakítsa (3. ábra) Az E1 villamos Az E1 villamos a német Siemens, illetve a kanadai Bombardier által a német DÜWAGlicensz alapján gyártott villamoskocsi, az E villamoskocsi-típuscsalád második generációja. A típuscsaládról általánosan elmondható, hogy magaspadlós, egyirányú villamosokról van szó, amelyek tipikusan a bécsi villamoshálózathoz készültek, azonban megtalálhatóak más európai nagyvárosokban, mint például Graz, Szarajevó, Krakkó, Craiova és Miskolc [4]. 3. ábra: A LÁEV által megvásárolt két villamos vezetőállással szerelt végei, jelenleg a vállalat telephelyén várják a felújítást [5]. 61

62 CSEHI Bálint, BODNÁR István A jármű elején található a félpantográf áramszedő, illetve a villamos üzemi fékkel, hat sínféktörzzsel és szolenoid kézifékkel van felszerelve. Erdei vasúthoz fontos szempont, hogy a jármű eredeti elektronikája rendelkezik csúszásgátló biztosítással és automata homokolóval. Eredeti berendezése alapján 40 ülő és 65 álló utas szállítására alkalmas, azonban a Miskolcra került példányokon az egyik oldal dupla üléseit szimpla ülésekre cserélték, így 34 ülőhely és 92 állóhely található rajtuk. A típus műszaki adatai a következők [4]: - Ütközők közötti hossz: mm - Tengelyelrendezés: Bo 2 Bo - Szolgálati tömeg: kg - Tengelyterhelés: 4,6 tonna - Motor: 2 db Siemens WD785S szinkronmotor - Vontatási teljesítmény: 150 kw - Vontatási feszültség: 600 V - Legkisebb fordulókör sugara: 18 méter 3.2. Az E1 villamos összehasonlítása egy átlagos kisvasúti szerelvénnyel Az összehasonlítás alapjául a későbbiekben is egy átlagos lillafüredi szerelvény fog szolgálni, ez egy MK48 mozdonyból és két darab kocsiból áll. A mozdony szolgálati tömege 17,6 tonna, a kocsik súlya BAX típusú kocsik esetén 15 tonna. A BAX-kocsik a LÁEV legnehezebb kocsijai, mind önsúly, mind maximális súly szempontjából, így ez a szerelvény a legnagyobb terhelés, amivel az MK48 mozdonynak meg kell küzdenie. Ez így mintegy 55 tonnás tömeget jelent. Ezzel szemben az E1 villamos kisvasútra alakított szerelvényének várható önsúlya mindenképpen 30 tonna alatti lesz, motorteljesítménye azonban akár háromszorosa is lehet a dízelmozdonynak, de még egy motorral is másfélszeres vontatási teljesítmény áll rendelkezésre [6]. Viszont fontosnak tartjuk megjegyezni, hogy a lillafüredi vasúton közlekedő legnagyobb szerelvény ettől lényegesen nagyobb. Ez az MK48 mozdonyból, 4 db BAX kocsiból és két további, kisebb kocsiból álló Mikulásvonat, mely 80% feletti kihasználtsággal közlekedik, így a szerelvény összsúlya meghaladja a 90 tonnát, ezért a szerelvény vontatásához 2 db MK48 mozdony szükséges. 4. VILLAMOS MOTORVONAT ENERGIAELLÁTÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI 4.1. Villamosenergia-ellátási lehetőségek Egy villanymotor hajtotta vontatójármű számára biztosítani kell a folyamatos áramellátást, melyre négy lehetőség van: 1. Felsővezeték, vagyis a pálya melletti oszlopokra telepített szabadvezeték. A közepes és nagy nyomtávú vasutaknál, illetve a helyi érdekeltségű vasutaknál, városi villamosvonalaknál alkalmazzák. Erdei vasút számára azonban nem alkalmas, mert az erdei környezetbe telepített vezetékeken magas lenne a vezetékszakadás kockázata. 2. Harmadik sínről táplálás. Ma kevés kivétellel már csak metrókocsik esetén alkalmazzák. Előnye ugyan, hogy könnyen telepíthető, azonban jelentős hátrány az esetében, hogy komoly balesetveszélyt is magában hordoz. 3. Aggregátorral, vagy generátorral a járművön előállítani a szükséges villamos energiát. Ez azonban nem tisztán villamos, hanem hibrid hajtás, valamint a LÁEV már rendelkezik egy hibrid MK48 mozdonnyal. Ezenkívül fontos szempont, hogy a villamos kocsiszekrényében nincs elegendő hely egy ilyen generátor és az üzemanyagtartály számára. 62

63 Elektromos motorvonat tervezése Bécsi villamos felhasználásával 4. Beépített telepről szolgáltatni a villamos energiát. Valószínűleg ez a legdrágább megoldás, azonban egy erdei vasútnál csak így lehet elérni az üzembiztos működést, a legkisebb baleseti veszélyforrás mellett, ezért ez a megoldás javasolt Akkumulátorok összehasonlítása Akkumulátorokból a piacon többféle lehetőség közül választhatunk. Egy motorvonat táplálásához nagy mennyiségű energiára van szükség, amit csak ólom-savas, illetve különféle lítiumalapú akkumulátorokból tudunk kinyerni. Az 1. táblázatban a négy leggyakoribb, nagyobb teljesítmény tárolására felhasználható akkumulátort említettük meg. Jól látható, hogy a lítiumalapú energiatárolók legalább másfélszer több energiát képesek tárolni ugyanakkora súly mellett. Ezenkívül sokkal nagyobb az üzemeltetési hőmérsékletük, valamint nagyobb áramok leadására képesek az ólomakkumulátorhoz képest. A lítiumos akkumulátorok esetében elterjedt paraméter az úgynevezett C-érték. Ezeket a továbbiakban / jellel elválasztva a következő sorrendben adjuk meg: töltőáram/folyamatos teljesítmény-leadás/impulzív teljesítmény-leadás. Az akkumulátor áramait az alábbi képlet alapján számíthatjuk ki: I = C Q (1) ahol: - I az áram; - C a C-érték; - Q az akkumulátor kapacitása, amperórában [Ah, 1Ah = 3600 Coulomb]. 1. táblázat: Különböző akkumulátorok adatai [7, 8] Akkumulátor típusa Ólom-sav Li-ion Li-polimer LiFePO4* Cellafeszültség Névleges (V)/ 2,1/2,4 3,6/4 3,7/4,25 3,25/3,25 Töltött (V) Energiasűrűség (Wh/kg) Élettartam Töltési ciklusok száma (db) C érték töltés/kisütés/maximum 0,1/0,5/8 1/5/10 10/60/120 10/24/48 Működési hőmérséklet ( C) kwh teljesítményre vetítve akkumulátor ára (Ft) * A táblázatban egy konkrét típusú LiFePO4 cella adatai szerepelnek, ez a gyártó ajánlása szerinti használat esetén ciklus után is a névleges kapacitás 100%-át, illetve ciklus után is legalább 65%-át le képes adni [9]. 63

64 CSEHI Bálint, BODNÁR István A lítium-ionos technológia egyik nagy hátránya például, hogy az akkucellák károsodás nélkül csak kisebb áramokkal meríthetők. Emiatt ideális például egy viszonylag alacsony fogyasztású mobiltelefon, notebook vagy tablet akkumulátorhoz, azonban egy elektromos motorvonat áramigénye minden bizonnyal tönkretenné. A Li-ion akkumulátorok leggyakoribb formája a típusú cella. Ezek kinézetre a ceruzaelemekre hasonlító, 18 mm átmérőjű, 65 mm hosszú hengerek, többnyire acélból. Ezekben helyezik el magát a lítium akkumulátort. Így az elérhető legnagyobb kapacitás ma 2,2 2,8 Ah körül mozog. A fent említett C érték a legjobb akkumulátorok esetében is 1/5/10, vagyis egy ilyen cella legfeljebb 2,8 A töltőáramot és 28 A kisütési áramot képes elviselni. Ezen tulajdonságai miatt a lítium-ion akkumulátor nem javasolt a motorvonat áramforrásához. Ezzel szemben a lítium-polimer akkumulátorok tetszőleges kapacitással és formával állnak a rendelkezésre, azonban a kemény fém ház helyett csupán fóliaborítás és zsugorcső védi a cellákat. C értékük azonban kellően nagy, valamint találni akár 5 Ah 10/60/120 C értékű akkumulátorokat is, amelyek akár 300 A tartós kisülési áramot is képesek elviselni. Hátrányuk azonban, hogy az elöregedésük során a polimer láncok felbomlanak, és gáz képződik, ami így lassan szétfeszíti az akkumulátor házát. A bomlási folyamat az élettartam vége felé egyre kisebb behatásra is képes beindulni, legyen szó akár mechanikai, villamos, vagy hőhatásról Ez kezdetben csak jelentős gáz-, illetve hőképződéssel jár, megfelelő ideig fennálló körülmények után azonban a gázok nyomása szétfeszíti az akkumulátor házát. A résen keresztül a szabadba távozó gázok oxigénnel érintkezve meggyulladnak, és hatalmas tűzgolyóvá változtatják az akkumulátor környezetét. Egy három sorosan kapcsolt 5 Ah kapacitású cellát tartalmazó akku mérete 130x40x20 mm, azonban az elöregedése során a vastagsága akár meg is duplázódhat, öngyulladás esetén pedig akár méteres nagyságú lángnyelvek is felcsaphatnak. Ezen tulajdonsága miatt a lítium-polimer akkumulátor használata kerülendő, hiszen súlyos biztonsági kockázatot rejthet egy idő előtt elöregedő, vagy meghibásodott cella. 4. ábra: Egy lítium-polimer akkumulátor öngyulladásának fázisai. (Balról jobbra: 1: Töltési, vagy kisülési folyamat közben keletkező hő hatására az elöregedett cella polimerláncai bomlásnak indulnak. Mivel a folyamat exoterm, idővel megállíthatatlanná válik. 2: A keletkező gázok nyomása felszakítja a cellák műanyag fólia borítását, előtörnek a lítium bomlásából származó gázok. A fizikai károsodás miatt a sérült cella belseje zárlatos lesz. 3: A keletkező hőtől és szikráktól begyulladnak a gázok. 4: Az akkumulátort teljesen ellepik a lángok, a lítium reakcióba lép a levegővel, és robbanásszerűen lezajlik a depolimerizáció, a töltések leadása és a keletkező gázok, fémek elégése.) 64

65 Elektromos motorvonat tervezése Bécsi villamos felhasználásával Az ólom-savas akkumulátorok a fentiekkel szemben nem tűzveszélyesek, azonban jelentős mennyiségű kénsavat tartalmaznak, ami egy baleset során kijutva maró hatása miatt súlyos károkat okozhat az élővilágban, illetve a jármű utasaiban is. Mivel azonban ehhez drasztikus erőhatásokra van szükség, ez az akkumulátortípus elfogadható a motorvonat áramforrásaként. Emellett további érv alacsony ára, és viszonylagos érzéketlensége a kisütési/töltési áramokra. A táblázatban szereplő utolsó akkumulátor a LiFePO4 vagy lítium-vasfoszfát (továbbiakban LiFe) akkumulátor. Ezek tipikusan járműipari felhasználásra készültek, kinézetre hasonlóak a fent ismertetett li-ion cellákkal, azonban méretbeli különbségek adódhatnak. Fontos üzemi tulajdonságuk, hogy a töltöttségi szint csak kismértékben befolyásolja a cellafeszültséget. Ez elsőre nem tűnik fontos szempontnak, azonban például a lítium-polimer akkumulátorok esetén cellánként akár 0,9 V is lehet a feszültségingadozás, ami a névleges cellafeszültség 24%-a. Ezzel szemben egy LiFe akkumulátor bármely töltöttségi szinten tartja a 3,25 V cellafeszültséget, így az elektronika szempontjából stabilabban tudja a vontatáshoz szükséges teljesítményt leadni. Biztonságtechnikai szempontból is a LiFe akkuk a legelőnyösebbek. Sérülés esetén bár némi hőt és füstöt produkálnak ugyan, de nem gyulladnak meg, illetve nem képesek reakcióba lépni a levegővel. Jól viselik akár a tartós rövidzárlatot is, bár nyilván a hosszú élettartamhoz itt is vannak megkötések. A vizsgált LiFe akkumulátor kapacitása 2,5 Ah, C értéke 10/24/48, vagyis a lítium-ion akkumulátorral szemben akár gyorstöltésre is alkalmas, valamint állandó kisütési árama 70 A, impulzusszerű kisütés esetén pedig 120 A csúcs áramra képes. Ezek alapján a vizsgált típusú LiFe cella különösen alkalmas a motorvonat számára, természetesen azonban más, ilyen típusú akkumulátor is megfelelő A motorvonat fogyasztásának megbecsülése Az E1 villamosba beszerelt WD785S szinkronmotor 600 V vontatási feszültség mellett 280 A áramfelvételre képes, induláskor felvett árama azonban akár ennek kétszerese is lehet. A kutatás az egyszerűség kedvéért abból a feltételezésből indul ki, hogy a motorvonat az eredeti motorjaival, vagy azzal azonos teljesítményű motorokkal fog közlekedni. Ezek alapján érdemes az akkumulátor cellákból 600 V feszültséget soros kapcsolással előállítani, és párhuzamosan annyi cellát kötni, hogy az egy cellára eső legnagyobb áram ne lépje át az akkumulátortípusra jellemző legnagyobb kisütési áramot [6]. Nem csak a kapacitásra van azonban szükségünk, hanem az akkumulátort terhelő áramokra is. A motorvonat indulásakor ez az áram akár 600 A is lehet, a motorok maximális terhelés melletti tartós üzemelésnél azonban csupán 280 A áramot vesznek fel. Állandó sebességgel haladó szerelvény esetén pedig az MVK Zrt. normájából számítható, mennyi a motor áramigénye [6]. I = n l t U (2) ahol: - n a fogyasztási norma, vagyis 3 kwh/km; - l a megtett út kilométerben; - t az út megtételéhez szükséges idő órában; - U az akkumulátortelep feszültsége. A fenti képlettel számolva kapjuk, hogy a jármű állandó sebességgel haladva a gördülési súrlódásból és a közegellenállásból származó veszteségeket 125 A áramfelvétel mellett tudja kompenzálni. 65

66 CSEHI Bálint, BODNÁR István Végül az utolsó fontos szempont az akkumulátor kapacitása. Az MVK Zrt.-nél a bécsi villamosok esetében a meghatározott üzemanyag-norma 2,4 kwh/km, illetve 2,7 kwh/km volt, azonban egyes villamosvezetők ideális esetben ezt akár 1,8 kwh/km-ig tudták csökkenteni. Ezek alapján a lillafüredi pályát Garadna felé 3 kwh/km, visszaúton 2,4 kwh/km energiaszükséglettel mindenképpen teljesíteni tudja a villamos. Ismert adat a Dorottya utca Garadna útvonal hossza, ami 14 km. Így az oda útra összesen 42 kwh, visszaútra pedig 33,6 kwh energiára van szükség. Számoljunk további 5 km távot 3 kwh/km fogyasztással, mint biztonsági tartalékot. Így az eredmény 90 kwh, tehát legalább ekkora kapacitású akkumulátor szükséges. Más megközelítésben az MK48-as mozdony menetkész szerelvénnyel hasonló energiafogyasztással rendelkezik. Ezen kívül azonban az akkumulátortelepnek képesnek kell lennie ellátnia az egyéb fogyasztókat is, mint a külső és belső világítás, a fűtés, vagy a légfékek számára a sűrített levegőt termelő kompresszor. Az MK48 mozdonyról tudjuk, hogy egy darab W teljesítményű generátorral rendelkezik, ez elegendő a világításra és a sűrített levegő termelésre. 3 óra maximális üzemidővel számolva ez Wh. A beltéri világításról tudjuk, hogy az E1 villamoson fénycsővel világítanak. Ezek fogyasztása 36 W/m, így 720 Wh energiára van szükségük, ez 3 óra alatt Wh. A villamos fűtéséről tudjuk, hogy összesen W hőlégfúvó van beépítve, valamint a motort szabályozó teljesítmény-ellenállások egy részét tudják a beltéri fűtőegységekkel helyettesíteni, így a szabályozásból keletkező hulladék hővel fűtik a kocsikat. Fűtésre így tehát 8 400W összteljesítményt számítva, 3 óra alatt 25 kwh energiára van szükség. Ezek együtt 35,5 kwh, tehát összesen legalább 136 kwh akkumulátorkapacitásra van szükség a motorvonat számára A szükséges akkumulátor kiszámítása ólom-sav vagy ólom-gél akkumulátorból Első lépésként az igényelt feszültségszinthez szükséges akkumulátorok számát számítjuk ki. Ólom-sav akkumulátorok esetében a névleges feszültség cellánként 2,2 V, így a kereskedelmi forgalomban kapható, 6 sorba kötött cellából álló akkumulátorok jó közelítéssel 13 V névleges feszültségűek. A gyakorlatban azonban a teljesen feltöltött telep akár 14,4 V feszültséget is leadhat a kapcsok között. Ilyen telepekből 40 darab sorba kötésével 576 V feszültséget kapunk, ami az akkumulátorok merülésével 520 V feszültségig zuhan. Második lépésként az igényelt áramerősséghez szükséges párhuzamos ágak számát számítjuk ki. Az ólomból készült akkumulátorok legelterjedtebb formája a személygépjárműindító akkumulátor, amelyek rövid ideig akár 100 A nagyságrendű áramot is képesek elviselni. Ebből következik, hogy a motorvonat elindulásakor jelentkező nagy áramlökést képesek leadni, a gondot a tartós üzemben felvett áram jelenti. Mivel hosszú élettartamra törekszünk, minimalizálni kell az egy ágra jutó áramot, illetve érdemes magasabb áramot elviselő típust alkalmazni. Egy átlagos ólomakkumulátor 50 Ah kapacitással rendelkeznek, így az (1) képlettel számolva 25 A kisülési áramot képesek huzamosabb ideig fenntartani. A (2) képletből megkaptuk, hogy 125 A konstans áram fogja terhelni az akkumulátorokat, ami legfeljebb 280 A lehet. Így célszerű 6 sorba kötött ágat használni, ekkor az egy ágra jutó áram körülbelül 47 A maximális terheléskor, és 21 A egyenletes haladáskor. Ezek az ideális terhelő áram 188%-a és 84%-a. Harmadik lépésként ellenőrizzük, hogy a 6 párhuzamos telep képes-e megfelelő mennyiségű energiát tárolni; illetve, ha nem, hány telepre van szükség. 50 Ah kapacitású telepekkel számolva a 6 párhuzamos akkumulátor 300 Ah kapacitással rendelkezik, a teljes, 40S6P akkumulátor-telep pedig 172 kwh energia tárolására képes, ami a számított szükséges energiától 36 kwh energiával több. 66

67 Elektromos motorvonat tervezése Bécsi villamos felhasználásával 4.5. A szükséges akkumulátor kiszámítása LiFePO4 cellákkal A szempontok sorrendje itt is ugyanaz, mint az előző esetben: - Feszültség: LiFe akkumulátor esetén a cellafeszültséget vehetjük állandó 3,25 V-nak, így a vontatási feszültségnek elfogadható 585 V feszültséget 180 akkumulátor sorba kapcsolásával kapjuk. 185 cella esetén a feszültség 601,25 V, ami bár minimális túlfeszültséget jelent a rendszerben, azonban ez 0,25% alatti túlfeszültség, amit az elektronika károsodás nélkül képes elviselni. - Áramerősség: A LiFe cellák maximális kisülési árama 70 A, így a maximális terhelésnél haladáshoz szükséges 280 A áramerősséget már 4 párhuzamosan kötött akkumulátor képes biztosítani, azonban a hosszabb élettartam miatt célszerű 8 akkumulátort párhuzamosan kötni. Ekkor áganként 35 A a maximális terhelés, és 16 A az utazósebesség fenntartásához szükséges terhelés. Ezek az ideális terhelő áram 50%- a, illetve 23%-a. - Energiatároló képesség: 180S6P akkumulátor-telepre vonatkoztatva a tárolt energia csupán 8,7 kwh, így célszerűbb a 4.3 részben meghatározott 136 kwh energiából visszaszámolni, hogy ezt hány párhuzamos ággal lehet elérni. Mivel a 180 db sorba kötött akkumulátor Wh energiát képes tárolni, legalább 94 párhuzamos cellára van szükség. Ekkor a végleges telep 137,4 kwh energiát képes tárolni. Fontos megjegyezni, hogy az előző pontban számított, egy cellára eső áram 94 cella esetében jelentősen szétoszlik, az egy cellára eső legnagyobb áramimpulzusok sem lesznek nagyobbak 6,5 7 ampernél. 5. ÖSSZEFOGLALÁS A kutatás során arra a következtetésre jutottunk, hogy a LÁEV vonalain közlekedő, tisztán elektromos hajtású motorvonatot beépített telepről érdemes villamos energiával ellátni. Mivel nagy teljesítményre van szükség, négyféle akkumulátortípus jöhet szóba. Ezek közül a lítiumpolimer és a lítium-ion kizárható, ólom-sav rendszerű energiatárolás alkalmazható, azonban a LiFePO4 cellák használata a javasolt. Ólomalapú akkumulátor építve a cellák ára szerelési anyagok nélkül, beszerzési áron körülbelül nettó Ft (2. táblázat), élettartama azonban ilyen intenzív töltés-lemerítés mellett a gyártó becslése alapján csupán egy év. További hátrány az eddigiek mellett, hogy csak az akkumulátorok összes térfogata 1,6 m 3, tömege pedig kg-ot tesz ki, így nagyban növeli a végleges jármű önsúlyát, ezzel együtt pedig a fogyasztását. LiFe akkumulátor esetében a telep beszerzési ára szerelési anyagok nélkül nettó Ft (2. táblázat). Teljes térfogatuk, amennyiben a 26 mm átmérőjű, 65 mm hosszú cellákat 26x26x65 mm méretű téglatestnek vesszük, 0,74 m 3, tömege pedig kg. Lehetséges azonban úgy is tervezni, hogy a cellák új kapacitásának 65%-a, vagyis a ciklus után kinyerhető energia legyen a motorvonat energiaigénye. Ekkor új korukban 210 kwh energiát képesek elraktározni, tömegük mintegy kg, beszerzési áruk pedig nettó Ft (2. táblázat). Mivel azonban ciklusra terveztük a telepet, napi egy járattal számolva több mint 19 év a telep élettartama. A gyakorlatban ez ettől lényegesen több, hiszen az első ciklus alatt a telep kapacitásának csupán legfeljebb 2/3 részét használja fel a motorvonat az útja során, ez a fajta használat pedig tovább lassítja a LiFe akkuk öregedését. Jelen kutatás figyelmen kívül hagy több problémát, illetve némely adatokat csak elnagyolt becslésként vesz figyelembe. A kutatás elsődleges célja az ólomalapú és a LiFe akkumulátorok összehasonlítása, illetve annak megállapítása, hogy melyik az alkalmasabb egy esetlegesen megépülő, keskeny nyomközű erdei vasúton szolgáló motorvonat energiaforrása számára. Ennek eredménye egyértelmű, a LiFe akkumulátor lényegesen több előnnyel jár, ezenkívül kevésbé környezetszennyező az ólom-sav akkumulátorral szemben. 67

68 CSEHI Bálint, BODNÁR István 2. táblázat: Összefoglaló táblázat az akkumulátortelepek főbb adatairól Akkumulátor típusa Bekerülési költség [Ft] Tömeg [kg] Térfogat [m 3 ] Várható élettartam [év; (ciklus)] Ólomalapú ,6 <1 (300) LiFe (1. eset) ,74 ~19 (7 000) LiFe (2. eset) ,13 >19 (>7 000) Az akkumulátor töltésével nem foglalkoztunk a kutatás során, azonban most megemlítjük, hogy a lítiumalapú technológiánál rendelkezésre álló gyorstöltés lehetősége tovább növelheti a motorvonat kihasználhatóságát. Mind a Dorottya utcai végállomásnál, mind pedig Garadnán rendelkezésre áll középfeszültségű elektromos hálózat, a végállomás vágányai felé telepített rövid felsővezeték-szakasz pedig azonnali töltési csatlakozásra adna lehetőséget. Ezen kívül a teljes szakasz jelentős része, közel egyharmada Diósgyőr lakóterületén fut, ahol lehetőség van végig felsővezetékkel ellátni a pályát, így a motorvonat útja közel egyharmadát hálózatról nyert feszültségből tehetné meg, amivel tovább növelhető az akkumulátorok élettartama, ezáltal pedig a jármű kihasználhatósága. 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az NTP-SZKOLL azonosítószámú Fókusz'19 - Középpontban a közösség projekt keretében valósult meg az Emberi Erőforrások Minisztériuma és az Emberi Erőforrás Támogatáskezelő támogatásával. 7. FORRÁS, FELHASZNÁLT IRODALOM [1] MÁTRAI, I.: Magyar a világ első 760 mm-es nyomtávú hibrid mozdonya, egy Mk48-as. Vasútgépészet folyóirat, Budapest, 2011/1. [2] KARAP, K.: A Rába M 040- M 042 mozdonyok. Internetes kiadvány. [3] FODOR, I.: MK48: A mozdony, amely egyet jelent a kisvasúttal. Indóház Lap- és Könyvkiadó internetes magazinja, szeptember. [4] BERTA, J.: SGP-E1 típusú villamos járművek kezelési utasítása. Miskolc Városi Közlekedési Zrt. oktatási anyaga járművezetőik részére. Miskolc, [5] A kép forrása: [6] [7] BLÁGA, CS.: Autóelektronika. Tantárgyi előadás, Miskolci Egyetem, [8] [9] ION_iparik/anr26650m1b.pdf A letöltések dátuma: október

69 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN KVA-ES ÉS 30 KVA-ES NAPELEMES ENERGIATÁROLÓ RENDSZEREK FÓTON 3 KVA AND 30 KVA SOLAR ENERGY STORING SYSTEMS IN FÓT DOHÁNY László 1, VÁRHELYI Nándor 2 1 erősáramú fejlesztőmérnök, pqinfo@powerquattro.hu 1 Powerquattro Zrt. Budapest 1161 János utca erősáramú fejlesztőmérnök, pqinfo@powerquattro.hu 2 Powerquattro Zrt. Budapest 1161 János utca 175 Kivonat: A cikkben bemutatásra kerül egy 3kVA-es és 30kVA-es napelemes energia átalakító rendszer, amelynek feladata a hálózatból felvett energia optimalizálása, illetve fogyasztók szünetmentes energia ellátása. A beépített energia tároló egység (akkumulátor telep) segítségével a rendszer autonóm üzemben is működik. Az energiaellátó rendszer a hálózatból energia felvételre, tárolásra, valamint energia visszatáplálásra alkalmas, illetve autonóm (hálózattól független) üzemben is működik. A cikket a napelemes energiatároló rendszerekről készült fényképek teszik szemléletessé. Kulcsszavak: energiatároló, energiaátalakító, napelem, akkumulátor Abstract: In the article will demonstrate a 3kVA and a 30kVA solar cells energy converter systems, which task to optimize the take in energy from the mains as well as to provide the uninterruptible energy for consumers. The system works also in autonomic mode with the help of the inbuilt energy storing unit (battery plant). The power supply system is suitable for taking in energy from the mains, storing that and as well as feeding the energy back to the mains respectively it works in autonomic mode (independently from the mains). The photos made from the solar energy container systems make the article picturesque. Keywords: energy storing, energy converter, photovoltaic, battery 1. BEVEZETÉS A rendszerek célja a hálózatból felvett energia csökkentése, minél hatékonyabb felhasználása a fogyasztók felé. A napenergia elektromos energiává alakításával jelentősen csökkenthető a hálózatból felvett energia. Akkumulátorok alkalmazásával elektromos energiatárolást valósítunk meg, mellyel szünetmentes energiaellátó egység létesíthető, vagy akkumulátoros villamosenergia-tároló segítségével tervezhetőbbé tehetjük a hálózatból felvett energiát. A rendszerek automata üzemben működnek, a felügyeleti rendszerük lehetővé teszi az energiaáramlás nyomon követését, figyelését, valamint biztosítja a felhasználó részéről a beavatkozás lehetőségét (kézi üzem) KVA-ES NAPELEMES ENERGIATÁROLÓ RENDSZER A 3 kva-es névleges teljesítményű háztartási méretű energiatároló rendszer (Home Storage System) (ld. 1. ábra) kisebb fogyasztók táplálására használható, minimális hálózati energiaigénnyel (a nappal megtermelt többlet napenergiát akkumulátorokban tárolva éjszaka bocsátja a fogyasztók rendelkezésére). A napelemek által előállított energia túltermelést a rendszer a hálózatba táplálja vissza. 69

70 DOHÁNY László, VÁRHELYI Nándor 2.1. Az FUPQ a/2a3/120 típusú 19 -os moduláris energiatároló áramellátó (HOME STORAGE) rendszer felépítése A rendszer blokkvázlata (ld. 2. ábra.) Az FUPQ a/2a3/120 típusú 19 -os modulokból felépített rendszer 599x641x1120mm méretű kerekeken gurulós szekrényből és egy FUPQ A3/6/1,1-4 típusú akkumulátor szekrényből állnak. Az FUPQ a/2a3/120 típusú szekrény fogadja az akkumulátoros egységet, 3kVA-es teljesítményű egyfázisú hálózatot egy 2x5db-os napelem cellát, amely egy kocsi beálló tetején nyert elhelyezést és rendelkezik 1kVA-es szünetmentes váltakozó feszültségű kimenettel, valamint 3kVA-es fogyasztói váltakozó feszültségű kimenettel (ld. 2. ábra.). 1. ábra: 3kVA-es napelemes energiatároló rendszer. 2. ábra: 3kVA-es napelemes energiatároló rendszer blokkvázlata Az egyfázisú hálózati feszültséget egy EIR/INV (egyenirányító/inverter) modul alakítja át egyenirányító üzemmódban, szinuszos áramfelvétellel egy úgynevezett közbensőköri DC +/- 70

71 3 kva-es és 30 kva-es napelemes energiatároló rendszerek Fóton 400V-os feszültséggé. Ebbe a közbensőköri feszültségbe tápláljuk be és ebből vételezzük ki az energiát úgy, hogy az energiaegyensúly mindig létre jöjjön, vagyis a DC +/- 400V-os feszültség állandóan biztosított! Az AKKUMULÁTOR TÖLTŐ modul az akkumulátor töltéséhez is a +/- 400V-os közbensőköri feszültségből nyeri az energiát, illetve hálózati feszültség kimaradáskor az energia áramlás megfordításával ide táplálja vissza az energiát az akkumulátorból. A szünetmentes kimeneti feszültséget az INVERTER modul szolgáltatja ugyancsak a közbensőkörből, amely egy klíma berendezést működtet. A napelem energiáját a DC/DC modul alakítja át feszültség növelő (booster) üzemben +/- 400V-os közbensőkörhöz. A napelemből maximálisan kinyerhető energia érdekében a DC/DC modul maximális teljesítmény munkapont kereső programmal (Maximum Power Point Tracking, MPPT) rendelkezik. A napenergia maximális hasznosítása csak abban az esetben lehetséges, ha a közbensőköri energia felhasználása folyamatosan biztosított (energiaegyensúly). Ha az akkumulátorok feltöltött állapotban vannak, a fogyasztói kimeneteken nincs energia felhasználás, akkor a napelem terhelése csak akkor biztosított megfelelően, ha az EIR/INV modulok inverter üzemmódban az energiát a hálózatba táplálják vissza. A felhasználó kézi üzemben egyedileg beállíthatja a hálózatba visszatápláló áram nagyságát, függetlenül a napenergia intenzitásától. Ha a napelemek által termelt energia nagyobb, mint a kézzel beállított visszatáplálandó áram nagysága, akkor nem optimális a napenergia hasznosítása, ha viszont kisebb a megújuló energia mennyisége (felhős időjárás), mint a kézzel beállított visszatápláló áram értéke, akkor a különbségi energiát az akkumulátorból nyeri ki a rendszer. A rendszer folyamatosan a hálózatra csatlakozik, és a mért adatok alapján a napelemek által termelt energiát az akkumulátorokba tölti, tárolja, majd a fogyasztói kimeneten keresztül a belső hálózatába juttatja vissza. A fogyasztói kimenet nem szünetmentes energiát szolgáltat. Az energiatároló rendszeren a felügyeleti és kijelző egységen keresztül lehet a kibekapcsolást és egyéb üzemállapotokat váltani, az akkumulátor töltöttségének és a napenergia nagyságának megfelelően. Amennyiben nem áll rendelkezésre napenergia, csak egyirányú teljesítményáramlás van, vagy akkumulátortöltés van a hálózatból, vagy hálózati visszatáplálás az akkumulátorból. A cél, hogy a rendszer minél több megtermelt megújuló energiát tároljon az akkumulátorokban, és a lehető legkisebb energiát vételezzen a hálózatból. Ha van napenergia és ki van választva a hálózatba visszatáplálásos üzem is, valamint a szünetmentes kimenet is energiát igényel, feltölti az akkumulátorokat, és a többlet napenergiát a szünetmentes kimenet táplálására és a hálózatba történő visszatáplálásra fordítja. Napfénymentes időszakban, ameddig csak lehetséges az energiát az akkumulátorból biztosítja a rendszer a fogyasztók számára. Az AUTOMATA üzemben 5 perces teljesítmény mérleg átlagszámítással állítja be a visszatáplálás nagyságát, hogy a hálózatból felvett energiát minimálisra csökkentse KVA-ES NAPELEMES ENERGIATÁROLÓ RENDSZER 3.1. Az FUPQ c/c30 típusú 19 -os moduláris energiatároló áramellátó rendszer felépítése A 30 kva-es energiaellátó rendszer szünetmentes áramforrásként (UPS) üzemel. A napenergia elsődlegesen az akkumulátorokba töltődik, illetve a fogyasztókat táplálja, valamint az ezen felül termelt elektromos energiát a hálózatba táplálja vissza. Az akkumulátorok töltöttsége hálózati feszültség tartós megléte esetén teljesen feltöltött, kisütésük a hálózat kimaradásakor történik. 71

72 DOHÁNY László, VÁRHELYI Nándor 3. ábra: 30kVA-es napelemes energiatároló rendszer blokkvázlata: A rendszer blokkvázlata (ld. 3. ábra) látható. Két 600x600x2000mm méretű szekrényben foglal helyet a modulokból felépített FUPQ c/c30 típusú és FUPQ 2SOL c/2c20 típusú (ld. 4. ábra.) vezérlő és energia átalakító rendszer. A szekrények fogadják a két napelemes és a két akkumulátoros egységet (ld. 5. ábra.), valamint 2x10kVA/2x10kW teljesítményű, 3x400V-os háromfázisú fogyasztókat látnak el szünetmentes energiával. 4. ábra: 30kVA-es napelemes szünetmentes áramellátó rendszer. A rendszer bemenetére kapcsolt 3x400V hálózati feszültséget 3db három fázisú EIR/INV (egyenirányító/inverter) modul alakítja át egyenirányító üzemmódban, szinuszos áramfelvétellel egy közbensőköri DC +/- 400V-os feszültséggé. Hasonlóan az előbb bemutatott rendszerhez a közbensőkörbe tápláljuk be és ebből vételezzük ki az energiát úgy, hogy az energiaegyensúly mindig meglegyen. Az akkumulátorok töltése, kisütése, a napelemek illesztése DC-DC átalakító és a szünetmentes kimenetre tápláló inverterek funkciója megegyezik az 3kVA-es rendszerben leírtakkal. A rendszerben található egy 72

73 3 kva-es és 30 kva-es napelemes energiatároló rendszerek Fóton hálózat-inverter átkapcsoló egység (BY-PASS), amely a rendszer fogyasztói kimenetén található. A BY-PASS modulon választható ki a HÁLÓZAT, illetve INVERTER alapüzem. 5. ábra: 30kVA-es UPS akkumulátor telepe. A hálózati feszültség meglétekor a BY-PASS modul HÁLÓZAT alapüzemű beállításnál a hálózati feszültség energiáját kapcsolja a szünetmentes kimenetre. Ha a hálózati feszültség nem áll rendelkezésre, akkor elsődlegesen a napelemekből előállított energia, másodsorban az akkumulátorban tárolt energia - INVERTER és a BY- PASS modulok segítségével- fedezi a szünetmentes tápellátást igénylő fogyasztók szükségleteit. INVERTER, vagy BY-PASS modul meghibásodása estén lehetőség van szerviz üzemben, direkt hálózati feszültség kiadására. Ezen üzemállapotot kismegszakítók lekapcsolásával és a kerülő ági kismegszakítók bekapcsolásával lehet létrehozni. Az ismertetett két rendszer felügyeletét ETHERNET kábelen keresztül a SCADA rendszerű számítógépes vezérlő és adatfeldolgozó látja el, valamint CAN protokollon, optikai fénykábelen keresztül tartja a kapcsolatot és vezérli a rendszer moduljait. A FELÜGYELET feladata a rendszer vezérlése, üzemmódjának beállítása, a modulok működésének és állapotainak nyomon követése. A 3kVA-es rendszer az Ethernet hálózaton keresztül a SCADA rendszernek csak információkat küld és egy belső program biztosítja az AUTOMATA üzemet. A 30kVA-es napelemes rendszer vezérlési feladatokat is ellát, így ennek az AUTOMATA üzemét a SCADA rendszer biztosítja egy programmal. A kijelző modulok érintőképernyőt tartalmaznak, amelyeken kiválasztható több képernyő, sématábla, kapcsolási vázlat. A jellemző pontokon mért feszültségek, áramok, teljesítmények, összegzett energiák az akkumulátortelep villamos paraméterei, akkumulátor egység töltöttségi szintje, az akkumulátor cellák átlagos feszültsége, a napelem paramétereinek értékei olvashatók le. Kijelzi még a rendszer működése közben előállt eseményeket, állapotokat, hibákat. Az események és az energia mérleg bejegyzésre és mentésre kerülnek az eseménynaplóba, dátum és idő bélyeggel együtt. Az alapképernyő és kezelőfelület Megtekintési joggal rendelkezik, jelszó nélkül. A beavatkozási és a gyártói jog, jelszó köteles. A felügyelet programja úgy működik, hogy ha van feszültség a közüzemi hálózaton, a napenergia tölti az akkumulátort és a többlet teljesítményt pedig visszatáplálja a hálózatba. Ha nincs hálózati feszültség, akkor a visszatáplálás nem engedélyezett. 73

74 DOHÁNY László, VÁRHELYI Nándor A NETGUARD rendszer üzemállapot jeleket generál. Üzemképessége esetén az akkumulátor töltést és mélykisülést felügyeli. Mélykisülés határán kiüti az akkumulátor kismegszakítóját. Működése nem függ össze a FELÜGYELET üzemképességétől. Visszatápláló üzemben a hálózati feszültség megszűnésekor (sziget üzemben) lekapcsolja a visszatáplálást. Figyeli a 3 fázisú hálózat feszültségét, frekvenciáját, és fázishelyzetét. A hálózati feszültség visszatérése után automatikusan visszakapcsolja a rendszert egy előre beállított idő után (5perc). A rendszer sématáblája mutatja a modulok egymás közötti kapcsolatait és a be-kimeneti paraméterek aktuális értékeit. (ld. 6,7. ábra) 6. ábra: 3kVA-es napelemes rendszer sématáblája A rendszerek üzemállapotai 7. ábra: 30kVA-es napelemes rendszer sématáblája. HELYI és TÁVVEZÉRELT üzem. HELYI üzemben a felügyeleti egységen lévő érintőpaneles kijelzőn lévő gombokkal, a 30 kva-es rendszernél TÁVVEZÉRELT üzemben a SCADA távfelügyeleti rendszerről vezérelhető a rendszer. 74

75 3 kva-es és 30 kva-es napelemes energiatároló rendszerek Fóton HELYI és TÁVVEZÉRELT üzemállapotok, valamint a modulok be-kikapcsolása a sématáblán láthatóak: 3 kva-es (ld. 8. ábra.) 30kVA-es (ld. 9. ábra.) Akkumulátortöltő modul be-kikapcsolása Akkumulátortöltés kézi, %-os alapjel állítás Akkumulátor kisütés=visszatáplálás %-os alapjel állítás Napelem DC/DC átalakító modul be-kikapcsolása INVERTER modulok be-kikapcsolása EIR/INV modulok be-kikapcsolása EIR/INV modulok egyenirányító üzem EIR/INV modulok visszatáplálásos üzem EIR/INV modulok AUT. visszatáplálásos üzem NETGUARD egység AUT/KÉZI üzemállapot bekapcsolása AUTOMATA vagy KÉZI üzem bekapcsolása a 3kVA-es rendszernél TÁV vagy HELYI vezérlés bekapcsolása a 30kVA-es rendszernél 8. ábra: 3kVA-es napelemes rendszer üzemállapotok sématáblája. 9. ábra: 30kVA-es napelemes rendszer üzemállapotok sématáblája. 75

76 DOHÁNY László, VÁRHELYI Nándor 4. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] RINGLER, CS., SZŰCS, A.: A +/-400V közbensőköri feszültségű moduláris kialakítású szünetmentes áramellátó rendszercsalád. Vezetékek világa 2016/2 XXI. évfolyam, 2. szám. [2] RINGLER, CS., SZŰCS, A.: Moduláris felépítésű szünetmentes áramellátó rendszerek. Elektrotechnika folyóirat 2016/3 Dohány László (1957), erősáramú fejlesztőmérnök ben végzett villamos üzemmérnökként a Kandó Kálmán Villamosipari Műszaki Főiskola Automatika szakán, teljesítményelektronika ágazaton től a Villamosipari Kutató Intézet, majd jogfolytonosan az EPOS-PVI Rt., 1991-től a Villamos Hajtás és Járműelektronika Kft, majd 2013-től PowerQuattro Zrt. erősáramú fejlesztőmérnöke. Fő tevékenységi körébe tartozik csúszógyűrűs aszinkron motorok kaszkád fordulatszám szabályozó berendezések, valamint szünetmentes áramellátó rendszerek, fejlesztése tervezése. Elérhetőségek: PowerQuattro Zrt., 1161 Budapest, János utca 175. Tel.: , pqinfo@powerquattro.hu Várhelyi Nándor (1973), erősáramú fejlesztőmérnök ben végzett a Kandó Kálmán Műszaki Főiskola Villamosmérnöki Karán, Teljesítményelektronika szakirányon től a PowerQuattro Zrt. erősáramú fejlesztőmérnöke. Fő tevékenységi körébe tartozik a szünetmentes áramellátó rendszerek, berendezések fejlesztése, tervezése. Elérhetőségek: PowerQuattro Zrt., 1161 Budapest, János utca 175. Tel.: , pqinfo@powerquattro.hu 76

77 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN RETRÓ AUDIÓ A XXI. SZÁZADBAN RETRO AUDIO EQUIPMENT IN THE XXI. CENTURY ERDŐSY Dániel 1 1 tanszéki mérnök, elkedani@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, H-3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: Cikkem egy rövid bepillantást ad egy mára már elfeledett audió rögzítési technikába, a kazetták világába. Elsőként a magnókazetták és különböző típusai kerülnek említésre. Mi a különbség köztük, miből készülnek? Miért volt ennyire népszerű, de ugyanakkor miért terjedt el, hogy rossz minőségű hangvisszaadással rendelkezik? Ezután pedig egy több, mint 30 éves Technics magnó felújításáról esik szó. Zárszóként a felújítási munka relevanciáját említem meg. Kulcsszavak: kazetta, magnó, Technics deck, HiFi audió Abstract: This publication is about a historical music recording format, the compact cassettes. First, I wrote some facts about the different types of cassettes, what they are made of, advantages and disadvantages about this technology, why it was so popular in the 70s and 80s. After this, I describe a restoration process about a vintage Technics cassette deck. Finally, I mention why this restoration process can be relevant in the XXI. Century. Keywords: compact cassette, cassette deck, Technics dec, HiFi audio equipment 1. A MAGNÓKAZETTA ÉS TÖRTÉNETE Az 1960-as években többféle mágneses szalagra épülő rendszert vezettek be hanganyag tárolására. Az ezt megelőző időkben a hanglemezek, illetve hasonló fizikán alapuló rögzítési technikák voltak elterjedve [1]. A cikkem alapvetően a Compact Cassette-ről szól, a második részben említett magnó is ilyen típusú kazettát használ. A Philips által kifejlesztett Compact Cassette (a továbbiakban csak magnókazetta, ill. kazetta) mellett számos hasonló elven működő típust fejlesztettek ki a gyártók: - DC International (Grundig), - Stereo 8, - Minikazetta (Philips), - Mikrokazetta (Olympus), - Elcaset (Sony), - DAT Digital Audio Tape (Sony), - DCC Digital Compact Cassette (Philips). Fénykora a 70-es és 80-as időre tehető, a mikrobarázdás hanglemez mellett ez volt a legnépszerűbb hanghordozó. Alapvetően kommersz célokra fejlesztették ki, de használták az oktatásban, riportkészítésben, sőt később digitális jelek tárolására is. Több cég is fejlesztett professzionális, stúdió célú felvevőket is kazettához. A hanghűség két tényezőtől függ: a felvevő eszköz minősége, valamint a jelhordozó anyaga. Optimális körülmények között a kazetta alkalmas a DIN szabvány szerinti HI-FI megvalósítására [2] Műszaki specifikációk Szabványos geometriájú műanyag kazettatestbe épített orsókra van a magnószalag rögzítve (1. ábra). A szalag szélessége 3,81 mm, a szalagtovábbítási sebesség 4,76 cm/s. A kazettatestet 77

78 ERDŐSY Dániel sokféle színben, sőt átlátszó kivitelben is készítették. Egyes típusokban az orsó kinézete hasonlít az orsós magnók hordozójára, ezzel különleges kinézetet adva a kazettának. A szalag alapja egy poliészter típusú műanyag fólia, amelyre többnyire ragasztóanyag segítségével viszik fel a jelrögzítést lehetővé tevő mágneses anyagot. Az eredeti mágneses anyag FE2O3, vagyis gamma vasoxid volt, amely gyenge hangminőséget és magas zajt eredményezett. Ennek kiküszöbölésére számos anyaggal, illetve eltérő rögzítéstechnikával próbálkoztak a gyártók. A 3M Company például kobalttal kevert szalagot dobott piacra, amely magasabb kimeneti jelszintet biztosított, így a jel-zaj arány javult. Később megjelentek a vasoxid helyett a krómdioxiddal készült szalagok. Ez a típus sokkal jobb a magas hangok visszaadását illetően, viszont a kimeneti jelszintet illetően rosszabb az előző típusnál. A Superchrome kazetták ezt a problémát próbálták kiküszöbölni. 3. típusa a dupla rétegű vaskróm. Az alsó réteg vasoxid, még a felső réteg krómdioxid, ezzel egyesítve az 1. és 2. típus előnyeit. A 4. típus, egyben az utolsó is, az elemi vas használatával múlja felül előző társait. Az úgynevezett Metal szalag esetében gőzölögtetéssel vitték fel az elemi vasat. Sajnos a gyártástechnológia miatt a szalag minősége nem volt egyöntetű a teljes szalaghosszon, ennek kiküszöbölésére vaspigmenteket használtak. [3] A 4 típusnak megfelelően az IEC által meghatározott előmágnesezések: - Type-I / IEC I Normal Postition (vasoxid kazettához), - Type-II / IEC II High Position (króm kazettákhoz), - Type-III / IEC III MetalChrome Position (vaskróm kazettákhoz), - Type-IV / IEC IV Metal Position (metal kazettákhoz). A különböző típusok házán a szalagtípus felismeréséhez mélyedések is voltak, így a felvevő / lejátszó eszköz automatikusan is felismerhette a típust. Az eltérő típusok különböző előmágnesezést és magashang korrekciót kívántak [2]. 1. ábra: Különböző típusú és márkájú magnókazetták [2] Az orsóra feltekert szalag hossza széles körben változhat, de a legtöbb esetben inkább a játékidőt adták meg. A C-14, vagy C14 például 7 percet jelent oldalanként, a C-180, vagy C180 pedig 90 perc oldalanként. Elérhető volt még C240 is, de a C180 és C240 szalagok nagyon vékonyak, így sérülékenyek voltak (könnyen megnyúltak, elszakadtak) A kazetta problémái Az egyik fő problémája a hallható sziszegés ( Tapehiss ) lejátszás közben. Ezen egyrészt javítottak a későbbi típusú kazetták, amelyek jobb magashang visszaadással rendelkeztek, így a felsőbb frekvencia tartományban nőtt a jel-zaj viszony. Emellett számos elektronikai megoldás is született. Legismertebb a Dolby Laboratories Inc. Noise Reduction eljárása. Felvételkor 78

79 Retró audió a XXI. században a magas hangokat kiemeli, lejátszáskor pedig elnyomja, így a sziszegés csökkent, a zene pedig normális maradt. Az eljárásnak a Dolby B, C és HX-Pro változatai ismertek. A rengeteg gyártó és típus miatt a kazetták minősége igen széles körben változhat. Sok esetben a félrevezető típus elnevezés csak marketing tevékenység, valós tartalma nem volt. A szalag fizikai kivitele miatt sérülékeny, valamint a nyomófilcre kerülő porszemek összekarcolták a szalagot. Hosszabb idő elteltével pedig változik a hangvisszaadási képessége a kazettának [4] A kazetta jövője Létrehozásakor a kis méret, alacsony ár miatt méltán népszerű hanghordozó volt. Jelenlegi viszonyok között a digitális hangrögzítés felülmúlja ezeket a tulajdonságokat, a lejátszó eszköz bonyolult mechanikáját is száműzve. Emellett reneszánszát éli a termék, mivel olcsó, könnyedén beszerezhető, de mégis retro. A hanglemezekhez képest még mindig sokkal olcsóbb, bár tény, hogy a minőségi termékekért (kazetták és lejátszók) most is borsos árat kell fizetni. Általános tapasztalat szerint a Type-I kazettákat pár száz forintokért meg lehet venni, a Type- II kazettákat már Ft-ért árulják. A Type-III és Type-IV kazetták akár a Ft-ot is elérhetik. Az ár nagyban függ a márkától, típustól, valamint az állapottól (elérhetők bontatlan kazetták is, természetesen ezek a legdrágábbak). 2. TECHNICS RS-M205 KAZETTA DECK Egy kedves ismerősöm hozott át hozzám még évekkel ezelőtt egy Videoton RA 6350 S Aida típusú rádiós erősítőt, valamint a címben említett Technics RS-M205 decket, abból a célból, hogy javítsam meg őket (2. ábra). A rádiós erősítőt viszonylag rövid időn belül rendbe szedtem, kitakarítottam, háttérvilágítás izzókat cseréltem, valamint az egyik hangszórót kellett újra tekercseltetni. A magnó viszont nem akart működni 2.1. Technikai paraméterek 2. ábra: Videoton RA 6350 S Aida és Technics RS-M205 Az 1981-es gyártású Technics RS-M205 egy metál kazetta kompatibilis sztereó magnó, Soft-Touch gombokkal és automatikus lejátszással visszatekerés után. Type I, II és IV típusú kazettákat támogat, Dolby Noise Reduction lehetőséggel. 5 pólusú DIN és RCA csatlakozókkal lehet erősítőhöz csatlakoztatni. Felvenni az előlapi 6,3 mm-es mono aljzatokról, vagy a DIN, illetve RCA aljzatokról lehetséges. 2 fejet tartalmaz, egy a felvételt, a másik a lejátszást teszi lehetővé. Az előlapja szálhúzott alumínium, külön bal és jobb oldali mutatós kivezérlés 3 79

80 ERDŐSY Dániel jelzővel, felvételt visszajelző piros LED-del. Az előlapon egy nem szabályozható fejhallgató kimenet található. A bemeneti jelszint oldalanként állítható. Véleményem szerint szép, klasszikus, precíz kialakítású eszköz, ezért is foglalkoztam vele. A Soft-Touch gomboknak köszönhetően a mechanikát (lejátszó és rögzítőfejek mozgatása, hajtáslánc megfelelő kapcsolása) nem közvetlenül a gombok mozgatják, hanem az állandóan forgó motor segít a mozgatásban. A magnóhoz megtaláltam a teljes használati, valamint szerviz útmutatót. Utóbbi teljes kapcsolási rajzot, alkatrészlistát, robbantott ábrát, valamint hangolási útmutatót tartalmaz [5, 6] A magnó javítása Első bekapcsoláskor gyanús füst szállt ki belőle és inkább félretettem (ez még évekkel ezelőtt történt). Azóta már megtanultam, hogy nem biztos, hogy rögtön tápfeszültségre kellett volna kapcsolni az elektrolit kondenzátorok miatt, de akkor még ezt nem tudtam. Teltek az évek, idén újra elővettem és nekiláttam. Szétszedtem, tüzetesen átnéztem, mértem. Nagy baj nem mutatkozott, csak éppen a motor nem forgott. Kissé jobban utánanézve derült ki, hogy a motornak állandóan forognia kéne, mert ennek segítségével a Soft-Touch funkció. A motor száma alapján nem találtam csere motort, így hát szétszedtem. A burkolat alatt egy normál kefés egyenáramú motort találtam egy különleges motorvezérléssel. Egy AN6610-es motor vezérlő áramkör képezi az alapját (3. ábra jobbról a második elem a motorvezérlő áramkör; 4. ábra). 3. ábra: A Technics deck szétszedett motorja Azt tapasztaltam, hogyha az egyik lábat rövid ideig földre kötöm, a motor elindul, de csak rövid ideig terhelhető. Ha hosszabb ideig (5-10 mp) terhelem, a motor megáll, azonban ugyanezzel a módszerrel elindítva utána normálisan lehet terhelni. A körülötte lévő alkatrészeket kiforrasztottam, megvizsgáltam, minden normális volt, kivéve a sebességet beállító trimmer potenciométer. Ezt kicseréltem, azonban a motor továbbra is hasonlóan viselkedett. Sikerült rendelnem egy AN6610-es motorvezérlőt, amely miután megérkezett és beépítésre kerül, helyesen működött. A motorvezérlő javítása mellett a szíjakat is kicseréltem, mert el voltak öregedve, vesztettek a rugalmasságukból és csúsztak. Ezután a magnó helyesen működött, de a hangja még nem volt tökéletes. 80

81 Retró audió a XXI. században 1. ábra: A motorvezérlő kapcsolási rajza [7] A kazetták költsége mellett bizony a szíjak is komoly befektetést képezhetnek. Ha a szíjak egyébként megvannak, csak ki vannak nyúlva, nagy eséllyel lehet találni elektronikai boltokban, vagy bontókban. Ha a szíjak teljesen elporladtak, a körülbelüli hosszt meg lehet mérni, vagy ha szerencsénk van, az eszközhöz találunk javítási útmutató, amely tartalmazhatja a szíjak pontos méretét. Népszerűbb magnókhoz lehet találni online is komplett szíj készleteket, de ezek ára a szállítási költséggel együtt magas lehet. Nekem szerencsém volt, az eredeti szíjak megvoltak, néhány száz forintért vásároltam hozzá újakat egy helyi elektronikai szaküzletben A magnó finomhangolása A javítási útmutató [5] alapján kívántam elvégezni a magnó teljes hangolását. Hiányt képezett a hangoló kazetta, így néhány lépést kihagytam. Vásároltam egy bontatlan 1987-es évjáratú BASF Chrome Extra II 90-es kazettát, egyrészt a hangoláshoz, másrészt egy műsoros kazetta összeállításához. A szalagsebesség (motorfordulatszám) beállításához egyik kollégám hozott egy Pioneer CT506 magnót, amellyel elkészítettem a beállításhoz szükséges hangokat (1 khzes, 3 khz-es és 10 khz-es szinuszok) tartalmazó kazettát. Ezeket lejátszva a hangolni kívánt magnón, próbáltam minél pontosabban beállítani a fordulatszámot (Service Manual C pont). A különböző frekvenciájú jelek generálásához függvénygenerátort (TTi TGA1230) használtam, illetve később egy számítógépen futó frekvenciagenerátort. Utóbbi előnye, hogy pontosan beállítható sztereó jelet ad. A mérések során oszcilloszkópot (Tektronix TDS 2012B), frekvencia mérőt (a függvénygenerátor egyik funkciója), valamint multimétert használtam (Philips PM 2518). A multiméter egyik nagy előnye, hogy 600 ohmos belső ellenállással közvetlenül db értékeket lehet leolvasni, amely nagyban megkönnyítette a kapott eredmények kiértékelését. A visszajátszási átviteli karakterisztikát a hangoló kazetta hiányában teljesen nem tudtam mérni, csak a teljes átvitelét. Előtte beállítottam a törlési áramot (Erase current, Service Manual F pont [5]), a visszajátszási jelerősséget (Playback Gain, Service Manual E pont), ezután a magnó teljes átviteli karakterisztikáját (Overall Frequency Response, Service Manual G pont) próbáltam beállítani. A kazettára kb. 5-5 másodpercnyi 50 Hz-es, 100 Hz-es, 200 Hz-es, 500 Hz-es, 1 khz-es, 4 khz-es, 8 khz-es, 10 khz-es szinuszos jeleket rögzítettem, gondosan ügyelve a bemeneti jelszintre. A kazettát visszajátszva feljegyeztem a frekvenciákhoz tartozó kimeneti jelszintet és ezek alapján diagramokat készítettem. A diagramok kinézetéből tudtam következtetni, hogy melyik trimmer potenciométert milyen irányba kell tekerni. Hosszadalmas állítgatás és mérés után (összesen 13 mérés történt) egészen elfogadható eredményt kaptam (5. ábra). 5 81

82 Jelerősség [db] Jelerősség [db] ERDŐSY Dániel A teljes átviteli karakterisztika beállítás előtt A teljes átviteli karakterisztika beállítás után Frekvencia [Hz] R L -8 Frekvencia [Hz] R L 5. ábra: A mangó teljes átviteli karakterisztikájának hangolása A hangzást még tovább lehetne tökéletesíteni az öregedésre hajlamos alkatrészek cseréjével, valamint a szükséges tesztszalagok és laborfelszerelések beszerzésével. Bár sok laboreszköz a rendelkezésemre állt, ezek az eszközök nem kifejezetten hangtechnika hangolására készített eszközök. Néhány fizikai beállítást (Service Manual A és B pont) én nem tettem meg, mert a lejátszó és rögzítő fejek érintetlen állapotban voltak. A kivezérlés jelző beállításai (Service Manual I pont) megfelelőnek bizonyultak, bár a végső kipróbálásnál kiderült, hogy a jobb oldali kicsit kevesebbet mutat, amely zavaró lehet precíz felvétel készítésénél. A Dolby áramkörök tesztelésére sem volt lehetőségem (Service Manual J pont), ehhez is különleges eszközökhöz lett volna szükségem. 3. ÖSSZEFOGLALÓ, VÉGEREDMÉNY A magnó hangzása kifogástalan, dinamikus, kellemes, de mégis van benne valami retró. Az említett BASF kazettára készítettem egy gondosan válogatott zenei összeállítást, egészen fantasztikusan szól. Emellett a mutatós kivezérlés jelzők olyan finoman illusztrálják a zene dinamikáját, amit semmilyen más eszköz nem tud utánozni. Egészen lenyűgöző a javítási útmutató, valamint az a hozzáállás, hogy meg lehet javítani a berendezést. Manapság a fogyasztó társadalom nincsen ehhez hozzászokva, főleg nem az olcsó, kommersz termékek esetén. Tanulságos volt számomra a magnó javítása, hangolása, a kazettás technika jobb minőségű változatának megismerése. 4. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Wikipedia, Magnókazetta, Wikipedia, the free encyclopedia, [Online]. Elérhető: [Elérés: 09-okt-2018]. [2] Wikipedia, Compact Cassette, Wikipedia, the free encyclopedia, [Online]. Elérhető: [Elérés: 09-okt-2018]. [3] P. Utz, Introduction to audio. Middleton: A-R Editions, Inc., [4] Vivian Capel, Audio & Hi-fi Engineer s Pocket Book, 3rd kiad. Loughborough: Newnes, [5] Technics, Service Manual RS-M205. Central Osaka Japan, o. 9, [6] HiFi Engine, Technics RS-M205. [Online]. Elérhető: [Elérés: 09-okt- 2018]. [7] Panasonic, AN6610 Motor Control Circuit. Panasonic, o

83 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN FŰTÉS OPTIMALIZÁLÓ ÉS FELÜGYELETI RENDSZER HEATING OPTIMIZATION AND MONITORING SYSTEM HEGYI Ádám 1, PINTÉR Judit Mária 2 1 Hallgató, hegyi.adam@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros 2 Ph.D., Adjunktus, juttata@gmail.com Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: A cikk célja egy megfizethető fűtés megfigyelő, fogyasztást optimalizáló, tanácsadó rendszer létrehozása. Sok olyan okos otthon alkalmazás van a piacon, amely hatékonyan szabályozza a fűtést a felhasznált energia csökkentésének érdekében, de ezek drágák. A tanácsadó eszköz feladata nem a közvetlen szabályozás, hanem a folyamatos megfigyelés. A rendszer folyamatosan nyomon követi szokásainkat és alkalmazkodik hozzájuk. A megfigyelt paraméterek alapján következtetéseket von le és tanácsokat ad a további használatra. Az eszköz több tevékenységet is megfigyelhet egyszerre, a kialakult séma alapján tudja mikor szellőztetünk vagy mikor nincs senki a szobában. Kulcsszavak: okos otthon, kis költségű rendszer, fűtés megfigyelés, költség optimalizálás Abstract: The purpose of this article is to create an affordable advice-based monitoring and consumption optimization system. There are several smart home applications in the market that effectively regulate heat to reduce the energy consumption, but those are expensive. The task of the advice-based tool is not the direct control but the continuous observation. The system keeps track of our habits and accommodate to them. Based on the observed parameters, it draws conclusions and gives advice for further use. The device can observe more than one activity at the same time, based on the established scheme when we are ventilating or there is no one in the room. Keywords: smart home, low-cost system, heating observation, expense optimization 1. BEVEZETÉS Az elmúlt években egyre komolyabb teret kapnak az okos otthonok. Az emberek több okból automatizálhatják házukat és irodáikat. Sokan kényelemből teszik, hogy ne kelljen figyelniük azokra a paraméterekre, amelyeket otthonunk önerőből tud szabályozni és képes legyen figyelmeztetni a felhasználót, ha az ingatlant érintő veszélyforrást észlel, mint például betörőt vagy tüzet. Van, aki olyan befektetés gyanánt használja, amely a költségek csökkentésére való, és minél rövidebb távú megtérülést vár. Intelligens algoritmusokkal nem csak szabályozni lehet a kényelmi paramétereket, hanem egy ilyen rendszer képes megfigyelni a kialakult sémákat, amelyek a felhasználás közben jönnek létre. A sémákat eseményekre tudja lebontani, például, hogy tartózkodik-e valaki a házban, vagy valami befolyásolja-e a hatékony fűtés vezérlést. Ezek a rendszerek és alkalmazások nagyban megkönnyítik az életünket és hosszú távon nem csak a rendszeres üzemeltetési költségeinket csökkenthetik, hanem a környezetre mért káros befolyást is. De mi van, ha valaki nem engedheti meg magának, hogy okos otthont építsen? Egy olyan megoldásra van szükség, amely mögött még mindig egy intelligens analizáló algoritmus áll, de mindez egy egyszerűbb alakban, amely több ember számára válhat elérhetővé. Ez úgy lehetséges, hogy nem avatkozunk be közvetlenül, így nincs szükség drága szabályozó rendszerekre és végrehajtó egységekre. Egy egyszerű mérés adatgyűjtő eszköz segítségével közvetlenül mérhetünk, és később, vagy bizonyos időközönként begyűjtve az adatokat feldolgozhatjuk és felállíthatjuk a sémákat. A sémák nyomon követésével fel lehet tárni azokat a felhasználói hibákat, amelyek megnövelik a fogyasztásunkat. 83

84 HEGYI Ádám, PINTÉR Judit Mária A légtér klímáját fűtéssel, hűtéssel és szellőztetéssel lehet változtatni (HVAC - Heating, Ventilating and Air Conditioning), ezek azonban nem alkalmasak a szennyeződésektől és egyéb kényelmetlenséget okozó tényektől való megszabadulástól. A nyomás különbség, szellőztetés vagy az emberek mozgása által keltett légmozgás ezeket a szennyeződéseket behordja és szétteríti az egész épületben. A friss levegővel való szellőztetés és hígítás csak akkor működik, ha az egész épületben egyenletes és mindenhova kiterjedő a légmozgás. A beltéri klíma limitálva van nem csak a saját kapacitásától, de a kültéri hőmérséklettől és páratartalomtól. A hőmérséklet egyenletessége is fontos a komfortérzet szempontjából. A levegő páratartalma egyértelmű jelzője a komfortérzetnek, egy olyan légtérben, ahol magas a páratartalom, nem párolog a bőr és ezzel nem hűt, ez magasabb hőérzetet eredményez. Természetesen ezek nem az egyetlen tényezők, amelyek befolyásolják a légteret. A szerves szennyeződések (VOC Violent Organic Compounds), a szén-monoxid (CO) és szén-dioxid (CO2) is nem kívánt tényezők a légtérben. A legtöbb ezekhez való mérő eszköz drága és csak egyet tud mérni közülük [4]. 2. AZ ADATGYŰJTŐ RENDSZER Általában az otthonunkban két módszer van a fűtés hatékony szabályozására, az egyik a termosztát, amely a rákapcsolt összes hőforrást képes szabályozni, a másik a fűtőtest saját hőszabályozó egysége. Gyakran a termosztát, úgy van bekötve, hogy több szobát is az lát el, de ez nem előnyös mivel, ha a szobában, ahol van ritkán járnak és ritkán kell szellőztetni, nem kezdi fűteni azokat a szobákat, amelyekben gyakran járnak és gyakran szellőztetnek. Mivel a cikk által vizsgált adatgyűjtő rendszer közvetlen szabályozást nem végez, és nem lehet rákapcsolni a termosztátra, egyszerűbb a közvetlen fűtés szabályozó elemekhez igazítani a működését. Számos fűtési lehetőség áll rendelkezésünkre, a leggyakoribb a radiátor, amely a meleg víz hőenergiáját használja a szoba fűtésére, sokan a mai napig használnak konvektort, ami gáz elégetésével fűt és vannak egyéb sokkal modernebb megoldások, amelyek mindössze elektromos áramot fogyasztanak, ilyenek az infra panelek és a hőszivattyúk. 1. ábra: Hőszivattyú, modern fűtő rendszer A hőmérsékleti adatok mellett a rendszernek tudnia kell arról, hogyan szabályozza a hőforrás saját hőmérsékletét. Ez a radiátor esetében úgy működik, hogy valamilyen mechanikus hőmérséklet mérő egységet építenek be, ez lehet bimetál, vagy valamilyen folyadék töltet, ha a mért hőmérséklet a szobában a beállított érték alatt van, a szelep kinyílik, és akadálytalan utat biztosít a meleg víznek, ha pedig magasabb a megadott értéknél, a szelep elzárja a folyadék útját. A szelep alaphelyzetben nyitott, rugós visszatérítéssel van ellátva, amely biztosítja a szelep két irányú mozgását [1]. A konvektor is hasonló módon működik, viszont ebben a helyzetben a gáz adagolását szabályozza a szelep. A szelep működését kívülről is lehet 84

85 Fűtés optimalizáló és felügyeleti rendszer vizsgálni, mivel két állást különböztetünk meg, a teljesen nyitottat és a teljesen zártat, elég csak azt vizsgálni, halad-e a közeg a csőben, ezt egy megfelelően beállított rezgés érzékelővel lehet figyelni. Így a radiátor és hasonló módon a többi hőforrás önálló hőszabályozását vizsgálva meg lehet figyelni annak hatékonyságát. 2. ábra: Radiátor termofejének metszete Az adatgyűjtő eszköznek alapvetően egyszerűnek és olcsónak kell lennie, hogy a felhasználó könnyen hozzá tudjon jutni és üzembe tudja helyezni. Van olyan megoldás is, ahol az eszköz csak egy hőmérsékleti adatot gyűjt és ezt a kibocsájtó cég honlapjára feltöltve kielemeztethetjük. A szolgáltató úgy tervezte, hogy egy héten keresztül folyamatosan mérjen a lakó otthonában és miután végzett, vissza is kell küldeni, ezzel csökkentve az eszköz költségét. Az analizált hőmérsékleti adatok mellé kapunk egy részletes tájékoztatót, arról, hogyan változtassunk fűtési szokásainkon, ezáltal csökkentve kiadásainkat. Az adatgyűjtő magában foglal egy mikroprocesszort, óramodult, hőmérőt, 4MB Flash memóriát, és egy saját akkumulátort, ami lehetővé teszi, hogy egy héten keresztül képes legyen ellátni a feladatát. Kívülről úgy néz ki, mint egy pendrive, az USB csatlakozó segítségével magunk is feltölthetjük a mért adatokat vagy konfigurálhatjuk a mérő eszközt saját igényeink szerint. Ezen kívül rendelkezik egy LED-el és egy gombbal, amellyel elindíthatjuk a beállított mérési időszakot. az eszköz célja eredetileg az volt, hogy a 2012-es tél során elindított próba időszak alatt akár embernek is segítséget nyújthassanak a fűtési szezon alatt a költségeik csökkentésére [3]. 3. ábra: Egyszerű adatgyűjtő rendszer [3] A tervezett eszköz egy IoT (Internet of Things) eszköz. Az Internet of Things egy fogalom, amely leírja a hétköznapi fizikai tárgyak internettel való kapcsolatát, és képesek azonosítani magukat a többi eszközzel kapcsolatban. A terminológia azonosítja az RFID-t, mint kommunikációs módszert, bár más szenzor technológiákat, vezeték nélküli technológiákat vagy QR-kódokat is tartalmazhat. Az IoT jelentősen megkönnyíti az adatgyűjtést, mert egy olyan objektum, amely képes digitálisan megjeleníteni az információkat, amelyeket az eszközeink biztosítanak. Az eszközök többé nemcsak a felhasználóhoz kapcsolódnak, hanem most már kapcsolódik a környező objektumokhoz és adatbázisadatokhoz. 85

86 HEGYI Ádám, PINTÉR Judit Mária Számos területen fel lehet használni ezt az új koncepciót, például az energia piacon, egészségügyi ellátásban, pénzügyi technológiáknál vagy olyan új területeken, mint az intelligens forgalomirányítás és okos otthonok [2]. Ez az adatgyűjtőre is igaz, bár első sorban a telefonunkkal vagy valamilyen más interfésszel való kommunikáció cél, de a jövőben, ha elterjednek a hasonló low-cost megoldások, amelyek más téren nyújtanak tanácsadói szolgáltatást, mint komfort érzet mérés, falnedvesség és egyéb strukturális állapot mérés, ezeket össze lehet majd kötni egy IoT alapú rendszerbe. Ha több eszköz használja ugyanazt a hálózatot, mi is könnyebben tájékozódhatunk otthonunk állapota felől egyetlen alkalmazáson keresztül vagy valamilyen hang szintetizátoros megoldással. A hang szintetizátor újabban egyre elterjedtebb a raktározással foglalkozó cégeknél. Minden munkás hord magával egy akkumulátorral ellátott adóvevő egységet, amelyet egy fél fejhallgató segítségével használnak. Az adott dolgozó az utasításokat szövegesen, hangüzenetként kapja meg, amikre válaszolhat is, a hangfelismerő érzékeli és cselekszik. Ez az eszköz nagyban megkönnyíti a munkát, időt spórol meg és szabadabb munkát eredményez, mivel a munkás mindkét keze szabad és nem kell sem táblát hordania magával és nem kell minden célnál vonalkódokat olvasnia. A hangfelismerőt minden műszak elején újra kell kalibrálni, ez azt jelenti, hogy pár percig beszélni kell, hozzá. A kalibrálást követően, az eszköz alkalmazkodik az aznapi hangszínünkhöz és csak a saját hangunkra reagál. Ezt a hangszintetizátort valamilyen szinten átalakítva be lehetne építeni az otthonunkba, és a parancsokat vagy telefonokon keresztül közöljük vagy egy telepített mikrofonon és hangszórón keresztül, így kialakítva egy beszédfelismerő interfészt, amely segítségével szóban tudunk információt cserélni otthonunk vezérlő rendszerével. 3. AZ ANALIZÁLÓ ALGORITMUS A tervezett adatgyűjtő rendszernek három különböző helyről kell hőmérsékleti adatot biztosítania, a külső, belső hőmérsékletről és a fűtőtest közvetlen felületének hőmérsékletéről. A külső és belső hőmérséklet és a fal szigeteléssel együttes hőveszteségi tényezőjének ismeretében képet kaphatunk arról, hogy a hőenergia milyen sebességgel áramlik a falon keresztül. Fourier I. törvényének ismeretében a hőáram a sík falon keresztül: Φ = λ t 2 t 1 A [J/s] (1) δ ahol: - λ, a hőveszteségi tényező, - δ, a fal vastagsága méterben, - A, a fal felülete, - t1-2, a belső és külső hőmérséklet. Ebből a képletből felállíthatjuk a modellt, ami szerint a fal felületén elveszett hőt figyelhetjük meg, a fűtőtestnek ez ellen a természetes folyamat ellen kell dolgoznia, hogy fenntarthassa a hőmérsékletet a szobában. Feltételezzük, hogy a mérés számítás pontosságát kielégíti a síkfalra vonatkoztatott számítás mivel, egy szobának általában egy vagy két fala van, így nem jelent jelentős eltérést. Tehát a külső és a belső hőmérséklet, valamint a hőveszteségi állandó segítségével az adatgyűjtő rendszer képes nyomon követni a hőáramlást és ajánlatot tehet valamely paraméter változtatására, vagy figyelmeztethet, hogy jobban figyeljen oda a felhasználó a felesleges szellőztetésekre, mert a rendszer nehezebben fogja tudni ellátni a feladatát. Figyelembe kell venni, hogy a hőveszteségi tényező mérése nem kivitelezhető egyszerűen, mivel drága eszközök kellenek hozzá, így becsült adatokat kell használni előre lemért fal és szigetelés típusokból számítva. 86

87 Fűtés optimalizáló és felügyeleti rendszer 4. ábra: Fal és elemeinek hőellenállása Ha az adatgyűjtő valamilyen módon képes információt gyűjteni egy időjárás előre jelző alkalmazásból a megfigyelés prediktív lehet, ami sokkal hatékonyabb tanácsadást tesz lehetővé. Természetesen más hőmérsékletet befolyásoló tényezők is jelen vannak a hőmérsékleti modellben, ilyenek például a nyílászárók használata, a felesleges hőtermelő eszközök és az emberek jelenléte. Mivel ezeket nem lehet prediktív módon megfigyelni, tehát nem lehet előre látni a változás bekövetkezését, ezek azok az események, amelyekre a felhasználónak magának kell figyelnie, és a rendszer csak ajánlatot tehet. Például, ha a hőáramlást és a beállított hőmérsékleti értéket figyelembe véve túl magas a hőmérséklet a szobában, azt jelenti, hogy sok ember tartózkodik a szobában, ilyenkor a lakó ajánlatot kap szellőztetésre, vagy a hőmérséklet lejjebb vételére, ha pedig alacsonyabb, mint ami indokolt lenne, valószínűleg nyitva van az ablak, így a lakó szintén ajánlást kaphat, annak bezárására. Ha a számítást ugyanabban az időintervallumban ismételjük, minden alkalommal, akkor kiszámítjuk a fűtési költségek százalékos megtakarítását, amely a mért értékeket eredményezi. Ez a megközelítés implicit módon feltételezi, hogy a megfigyelt szivárgási sebesség függ a külső és a belső hőmérséklet közötti különbségtől. Minél nagyobb a belő és külső hőmérséklet különbsége, a hőszivárgás annál gyorsabb, ha bent alacsonyabb, de állandó hőmérsékletet tudunk tartani, a hőveszteség is lecsökken, így csökken a felesleges fűtési idő is. 4. AZ ADATGYŰJTŐ ESZKÖZ MEGVALÓSÍTÁSI TERVE Az elmúlt időszak irodalomkutatással telt, olyan eszközök és algoritmusok keresésével, amelyek segítségével meg lehet valósítani egy ilyen low-cost adatgyűjtő és kisegítő eszközt. A továbbiakban tesztelni kell a módszer életképességét. Először meg kell tervezni a mérést, például azt hova és milyen szenzorokat kell helyezni, valamint azt, hogy hány szenzor az ideális költség és a szolgáltatott adat függvényében. Az eszköznek azt is tudnia kell mennyi energiát fogyasztott el a fűtőtest, ha az ember ránéz egy olyan trendre, amin csak a hőmérsékleti adatok vannak, valószínűleg nem fogja tudni átlátni. Az energia fogyasztás vagy a konkrét költség feljegyzése sokkal informatív információ egy átlagos felhasználó számára, aki nem akar fejszámolásokat végezni minden alkalommal, mikor megnézi az adatokat. 87

88 HEGYI Ádám, PINTÉR Judit Mária 5. ábra: Az elkészült adatgyűjtő rendszer A mérést csak a fűtési szezonban lehet elvégezni, a fűtőtestek csak ilyenkor üzemelnek. A mérés megfigyelt folyamat, ahol fel kell jegyeznünk minden időpontot amikor szellőztetünk azt, hogy kevés vagy sok ember tartózkodik-e a szobában, és ezt mikor tették. A sémák megfigyelése által a trendeken kirajzolódott mintákat ezután már kerestetni lehet intelligens algoritmussal, amely meg tudja mondani, mikor következnek be az adott események. Miután az eseményeket leolvastuk a trendekről meghatározhatjuk azokat a felismerő függvényeket, amelyek megmondják, hogy nyitva van-e az ablak, az ajtó vagy, hogy körülbelül mennyien tartózkodnak a szobában. A becsült adatok segítségével a tanácsadó rendszer dönthet mikor tekinti ideálisnak a hőmérsékletet vagy a fűtés mikor nem tud effektíven működni. A tanácsadó rendszer számos lehetőséget hordoz magában, ezeket kell számba venni és elemezni megvalósíthatóságukat és hasznosságukat. Ha egy alkalmazás megfelelőnek tűnik, akkor adaptálni lehet a rendszerbe. Az utolsó szakaszban interfészt kell tervezni az eszköznek, első sorban valamilyen weboldalt kell használni, mivel az viszonylag egyszerűbb és az interfész nem élvez akkora prioritást. A továbbiakban kereshetünk más megoldásokat is, mivel telefonunk mindig velünk van, kézenfekvő ötlet itt is kihasználni. Egy telefonra írt felhasználói felületnek számos előnye van, például akárhonnan megnézhetjük a telefonunk segítségével megfelelően használjuk-e erőforrásainkat, valamint hangutasítást vagy szöveges üzenetet kaphatunk, ha valami nem megfelelően van szabályozva. Az rendszer egyelőre csak adatgyűjtési funkciót lát el, a következő időszakban mérni fog, a továbbiakban ennek a fejlesztése folyik. A jövőben lehet bővíteni is a rendszert, nem kell csak a hőmérséklet megfigyelésre hagyatkozni, igénytől függően további alkalmazásokat lehet hozzá adni, egyre közelebb kerülve egy valódi okos otthonhoz, de ugyanazt a hálózatot használva elég csak a szenzorokat felhelyezni, a szoftver felismeri és a további megfigyelési beállításokat feloldja az interfészen. 5. ÖSSZEFOGLALÁS A cikk célja egy olyan eszköz tervének bemutatása, amely elérhető áron biztosít lehetőséget egy olyan okos otthonokéhoz hasonló rendszerhez, amely megfigyeli a lakó fűtési szokásait és ezt felhasználva az előre beállított eseményeket keresi, ha talál egyet a tanácsadó algoritmus eldönti, be kell-e avatkozni és ha igen hogyan. Az eszköz még a tervezési fázisban, de ha elkészül széles körben használható tanácsadó rendszert kapunk, hasznos lehet otthonokban és 88

89 Fűtés optimalizáló és felügyeleti rendszer irodákban egyaránt, valamint a jövőben további applikációkkal lehet ellátni, amelyek segítenek kibővíteni a felhasználási lehetőségeket, mint például fogyasztás mérés, világítás vagy a levegőben lévő káros anyagok megfigyelése. Elérhetőbbé teszi az okos otthonokéhoz hasonló technológiák alkalmazását, mivel nem kerül annyiba és a felszerelése is lényegesen egyszerűbb. 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az NTP-SZKOLL azonosítószámú Fókusz'19 - Középpontban a közösség projekt keretében valósult meg az Emberi Erőforrások Minisztériuma és az Emberi Erőforrás Támogatáskezelő támogatásával. 7. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Jürgen Kunze, Rutesheim, Németország, Behr Thermot-tronik GmbH & Co., 1997 április 30. szabadalom szám: 841,405 (SZABADALOM) [2] R. PIYARE: Internet of Things: Ubiquitous Home Control and Monitoring System using Android based Smart Phone, Mokpo, [3] A. ROGERS, S., GHOSH, R., WILCOCK, N., R. JENNINGS: A Scalable Low-Cost Solution to Provide Personalised Home Heating Advice to Households, Southampton. [4] S. A. FRECSKA, W.T.K.: Bischel, Sensor System for Measuring and Monitoring Indoor Air Quality, Wilmington, [5] IBCS Hungary bevezetés a hangalapú raktározásba 89

90 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN NAPELEM TELJESÍTMÉNYVESZTESÉGE KÜLÖNBÖZŐ FELÜLETI SZENNYEZŐDÉSEKNÉL EXAMINATION OF ELECTRICITY PRODUCTION LOSS OF A SOLAR PANEL IN CASE OF DIFFERENT SURFACE CONTAMINATIONS ISKI Patrik műszaki szolgáltató, junior kutató, elkiski@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, Villamos Energetikai Kutatócsoport, 3515 Miskolc- Egyetemváros Kivonat: A tanulmány a napelemek felületén megtapadt különbőző szennyezőanyagok energiatermelésre gyakolort hatásást elemzi. A napelemek energiatermelését jelentősen befolyásolja a panel felületének szennyezettsége. Nem csak a helytelen telepítés következtében a különböző tereptárgyak, hanem a panel felületére került szennyezőanyagok is árnyékolást okozhatnak. A napelemek energiatermelését és hatékonyságát kísérleti úton vizsgálom különböző típusú szennyeződések esetén, mint falevél, por vagy szimulált madár ürülék. Kulcsszvak: napelem, felületi szennyezők, árnyékoló hatás, szennyezőanyag szimuláció Abstract: In this study energy generation of solar panel in case of different surface contaminants is experimentally examined. Energy production of solar cells is significantly influenced by the contamination of panel surface. Not only objects in the environment, but also pollutants on the panel surface can create shadow effect. Energy production and efficiency of solar panel is experimentally investigated in case of different type of contamination as leaf, dust or simulated bird excrement. Keywords: solar panel, surface contaminants, shadow effect, simulated pullutants 1. KÖRNYEZETI KÖRÜLMÉNYEK ÉS FELÜLETI SZENNYEZŐDÉSEK A technológia és az anyaghasználat okozta hatásfok maximumokon kívül, a kész napelemek használata során fellépő külső tényezők is csökkenthetik a modulok hatékonyságát. A szennyezett cellák, a hőmérséklet és a terhelés mértéke sorolható ezen környezeti körülmények közé. A napelem modulok karbantartást szinte nem igényelnek, ugyanakkor üzemeltetésük során felmerülő felületi szennyeződés hatékonyság csökkentő hatását nem hanyagolhatjuk el. Az évi villamos veszteség jelentős lehet, értéke elérheti a 17%-ot is. A folyamat jellemzése nem egyszerű, hisz rengeteg tényező befolyásolja. A továbbiakban pontokba szedve mutatom be a legfontosabb paramétereket, amelyek összefüggést adnak a napelem felületi szennyeződése és a hatásfok romlás mértéke között [1] Szennyeződések és forrásaik A természetben leggyakrabban előforduló szennyezők a következők: - madárürülék, - por, pollen, homok- és talajszemcsék, - a napelem felületére tapadt falevelek. Az emberi tevékenységek hatására jelentkező felületi szennyeződések: - ipari üzemek működése során a levegőbe jutó szennyezők lerakódása, - lakossági fűtésből származó korom, pernye, - mezőgazdasági vagy egyéb emberi tevékenységből származó por, - közúti közlekedésből származó szennyeződés (például: gumi-kopadék, korom). 90

91 ISKI Patrik 1.2. A lerakódások formái a napelem felületén A lokális szennyeződések (például: madárürülék) nem elhanyagolható mértékben befolyásolhatják a napelem teljesítményét. A kristályos napelemeknél még kritikusabb e típusú szennyezés megléte, hisz a sorba kötött cellákból álló egység hatékonyságát jelentősen csökkenti egy-egy cella foltszerű szennyeződése. A teljes napelem felületét betakaró por vagy egyéb szennyező réteg is káros hatással van a napelem megfelelő működésére. E lerakódások a nem megfelelő tisztítás következtében egymásra halmozódhatnak, az évek során egyre vastagabb és tartósabb takaró réteget képezve a napelem hasznos felülete előtt. A sarkokban kiemelkedően jelentős lehet a szennyező anyagok felgyülemlése, hisz ezeken a felületeken az eső tisztító hatása nem érvényesül kellőképpen. A vastag lerakódások a cellák túlhevülését is okozhatják, mert hőszigetelőként viselkednek. Ha egy cella károsodik, akkor a vele sorba kötött cellák is kieshetnek az energiatermelésből, így a napelem hatásfoka és élettartama is csökken. A tapasztalatok szerint jelentősége van a szennyező anyag szemcseméretének a hatásfokváltozásra nézve. A napelem tisztítását nem minden esetben végzi el az eső. Egy kiadósabb eső kellőképpen lemoshatja a felületet, de egy enyhe zápor még további negatív hatásokkal is járhat. A lerakódott porrétegre kerülő kis mennyiségű csapadék iszapos réteget képezhet, ami még tovább ronthatja a napelem hatásfokát [2] A szennyezettség mértéke és az energiatermelés közti összefüggés A szennyezettség mértékét az éghajlati viszonyok jellemzői és a szennyező források hatásai együttesen írják le. Ezek a tényezők rendkívül változatosak lehetnek, az éghajlati viszonyok és szennyeződések típusától függően. Az utóbbi évtizedekben a globális felmelegedés következtében az éghajlati övek eltolódtak és egyre gyakoribbak a szélsőséges időjárási körülmények (extrém mennyiségű csapadék, szélviharok, nagy hőmérséklet-ingadozás, stb.). Ennek eredményeként a szennyezőanyagok megjelentek olyan éghajlati zónákban is, ahol azok a korábbiakban kevésbé voltak jellemzők (pl.: sivatagi homok Európában) [3]. Az éghajlati viszonyok jellemzői szerinti kategóriák (K): K1. Mérsékelt égövi, csapadékos éghajlat: - Az éves csapadék mennyisége 800 mm, vagy e feletti, - A csapadék eloszlása az év során viszonylagosan egyenletes, - (Ilyen például Németország területének jelentős része). K2. Száraz nyárú, kontinentális éghajlat: - Az éves csapadék mennyisége mm, - A nyári félév száraz, - (Ide sorolható Magyarország és Románia déli része). K3. Extrém száraz, fél-sivatagi, sivatagi éghajlat: - Az éves csapadék mennyisége 300 mm alatt, - (Ide sorolható Irak, Arizona, Afrika szaharai területei). K4. Tengerparti éghajlat: - Az éves csapadék mennyisége mm, vagy e feletti, - Erős sós párásság, szennyező, korrozív hatással, - (Ilyen például Málta). A szennyeződés intenzitás szerinti kategóriák (S): S1. Mérsékelt szennyező hatásnak kitett napelemes rendszer: A szennyező források száma és azok szennyező hatása kicsi, a nyári időszakban is előforduló, jelentős mennyiségű esők a szennyeződések döntő részét lemossák. 91

92 Napelem teljesítményvesztesége különböző felületi szennyeződéseknél S2. Közepes szennyeződés intenzitású területek: A napelemes létesítmény a szennyező forrásoktól (ipari, mezőgazdasági tevékenységektől, forgalmas közutaktól) távol helyezkedik el. S3. Intenzív szennyeződésnek kitett területek: A napelemes rendszer közelében több, és jelentős szennyeződést okozó szennyező forrás található. (Jelentős ipari és mezőgazdasági tevékenység, közúti forgalom. Madárvonulási zóna). Az eső tisztító hatása csak kis mértékben érvényesül. S4. Extrém nagy szennyeződésnek kitett területek: Több forrásból származó erőteljes szennyező hatások. Ilyenek lehetnek például a félsivatagos, sivatagos területek, a gyakori homok-viharokkal. (A napelem felületekre lerakódott nagy mennyiségű homok, jelentős teljesítmény veszteséggel jár). Az 1. táblázatban a két tényezőt figyelembe véve láthatók a becsült éves energia veszteségek százalékban. 1. táblázat: Az éghajlati viszonyok és szennyezés intenzitásának viszonyai A szennyezés Az éghajlati viszonyok kategóriái intenzitásának kategóriái K1 K2 K3 K4 S1 2,5% 4,0% 4,0% 6,5% 4,0% 6,5% 2,5% 4,0% S2 2,5% 4,0% 7,5% 10,0% 7,5% 10,0% 4,0% 6,5% S3 4,0% 6,5% 8,5% 12,0% 8,5% 12,0% 7,5% 10,0% S4 7,5% 10,0% 9,0% 14,0% 11,0% 17,0% 7,5% 10,0% 1.4. Napelem teljesítményének és energiatermelésének csökkenése A napelem teljesítménye és energiatermelése egy-egy függvénnyel írható le. A függvényben a közvetetten jelennek meg a felületi szennyeződések hatásai. Első átgondolásban arra következtethettem, hogy amilyen arányban csökken a napelem hasznos felülete a felületi szennyeződés hatására, olyan arányú lesz az energiaveszteség is. Azonban ez nem teljesen igaz. A napelem teljesítménye a leadott áramerősség és a kapocsfeszültség szorzata. A napelem által leadott áramerősség a megvilágítás lineáris függvénye. Felületi szennyeződés hatására a napelem aktív felülete ugyan lineárisan lecsökken, azonban egyes szennyezőanyagok részben fényáteresztő-képességgel rendelkezhetnek, ezért a csökkenés nem minden esetben lineáris. A napelem kapocsfeszültsége pedig a hőmérséklet függvénye. Ha a napelem felületén szennyeződések ragadnak meg, akkor azzal a hősugárzás lecsökken, ami eredményeként a napelem felülete tovább melegszik. A napelem kapocs feszültsége a hőmérséklettel fordított arányban áll, ezért a melegebb napelemen kisebb feszültség mérhető. Ugyan az áramerősség a hőmérsékletnövekedés hatására növekszik, azonban ez a növekedés elhanyagolható, mert az áramerősség hőmérsékleti állandója egy nagyságrenddel kisebb, mint a feszültség hőmérsékleti állandója. Tehát a felületi szennyezés hatására tovább csökken a teljesítmény [4]. 2. A MÉRÉSI ÖSSZEÁLLÍTÁS A napelemet a mérés idejére egy asztalra helyeztem. A panel felületi hőmérsékletét egy négycsatornás digitális hőmérséklet mérővel figyeltem (Voltcraft YC-747D). A 4 Huzal hőmérséklet érzékelőket különböző helyeken rögzítettem a napelemen. A hőmérő alkalmas számítógépes kapcsolatra is, ez nagyban megkönnyítette, hogy gyors és pontos mérést 92

93 ISKI Patrik végezhessek. Az előző mérések azt igazolták, hogy mind a napelemek hátlapja mind a szennyezett felület hasonlóan felmelegszik. Mértem a napelem feszültségét és áramát is egy Protek DM-301 és egy METEX M-365OD digitális multiméter segítségével. A mérés közben azt tapasztaltam, hogy a napelem hőmérséklete (a 4 különböző hőmérsékleti pont átlaga alapján) elérte a 76,6 C-ot, míg a környezeti hőmérséklet 27,7 C volt. 1. táblázat: A napelem adattáblája Paraméter Szimbólum [Mértékegység] Érték Gyártási év Megvilágítás intenzitása I ill [W/m 2 ] 861 Csúcsteljesítmény P max [W] 85 Max. áram I M [A] 4.88 Max. feszültség U M [V] Rövidzárási áram I SC [A] 5.40 Üresjárási feszültség U OC [V] Névleges kitöltési tényező φ [-] 0.74 Soros ellenállás R s [Ω] Párhuzamos ellenállás R P [Ω] 10,000 Sorosan kapcsolt cellák száma N S [darab] 18 Párhuzamosan kapcsolt cellák száma N P [darab] 2 Hőmérsékleti együttható P max K PM [W/ C] Hőmérsékleti együttható I sc K ISC [A/ C] Hőmérsékleti együttható U oc K UOC [V/ C] Százalékos Hőmérsékleti együttható P max μ Pm [%/ C] Százalékos Hőmérsékleti együttható I sc μ Isc [%/ C] Százalékos Hőmérsékleti együttható U oc μ Uoc [%/ C] Hatékonyság (Max. teljesítményen) η [%] Névleges üzemi hőmérséklet T N [ C] 25 Az 1. ábra szemlélteti a mérési összeállítást. A bal felső képen az 50 g/m 2 koncentrációjú homokkal szennyezett napelem látható. A jobb felső ábrán zöld (friss) falevelekkel, a bal alsó ábrán pedig száraz (őszi) falevelekkel szennyezett napelem látható. Végül pedig egy teljesen tiszta napelem figyelhető meg. A mérések során azt tapasztaltuk, hogy a kis sűrűségű hamu azonos koncentrációnál jelentősen nagyobb felületet képes kitakarni a napelemből, mint a nagyobb tömegsűrűségű homok. 1. ábra: A mérési összeállítás 93

94 Teljesítmény veszteség Teljesítmény veszteség Napelem teljesítményvesztesége különböző felületi szennyeződéseknél 2.1. Mérési eredmények Laboratóriumi vizsgálataim során három különböző por alapú szennyezőanyagot vizsgáltunk. Ezek sorra a következők: cement, homok és fahamu. Alaphipotézisem azt volt, hogy a kisebb porszemcséjű, illetve a kisebb sűrűségű por nagyobb fajlagos felülete miatt nagyobb arányban takarja le a napelem felületét, ezért nagyobb teljesítményveszteséget okoz. A 2. ábra a teljesítménycsökkenés hatását mutatja a napelem felületén lévő porkoncentráció függvényében. Megfigyelhető, hogy a homokkal és a fahamuval való lefedettség közel lineáris hatást gyakorol a napelem teljesítménycsökkenésére, míg a cement esetében nem-linearitás tapasztalható. A mérési eredmények alapján elmondható, hogy 50 g/m 2 felületi porkoncentráció esetében a cement 20,91%-kal, a homok 12,95%-kal és a hamu 35,81%-kal csökkenti a napelem teljesítmény. 100 g/m 2 felületi porkoncentráció esetén a napelem teljesítménye legnagyobb mértékben, csaknem kétharmadával a fahamunál csökken (63,89%). Cementtel szennyezett napelemnél ez az érték 40,89%, homoknál pedig csak 22,41% a teljesítményveszteség. A mérési eredmények bizonyították a hipotézist. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Tiszta Clean Koncentráció [g/m 2 ] 2. ábra: Teljesítménycsökkenés Homok, Cement and Fahamu szennyezők esetén A harmadik ábra a besugárzás csökkenését szemlélteti. A napelem teljesítményének csökkenése két tényezőre vezethető vissza: a felületi takartságra és a hőmérsékletnövekedésre. A felületi takartság hatására csökken a besugárzás mértéke, így csökken a napelem által leadott áram, másrészt a letakart részeken a napelem kevésbé tud hőt leadni, ezért melegszik, amely következtében a feszültsége csökken. A besugárzás csökkenés az áramerősségi adatokból határozható meg. Jelen eredményeknél is a 2. ábránál elmondott tendencia figyelhető meg. A cement és a fahamu nagyobb besugárzás csökkenést okoz, mint a homok. A teljesítményveszteség legjellemzőbb oka tehát a takartság, a hőmérsékletnövekedés hatása egy nagyságrenddel kisebb, így elhanyagolható. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Clean Tiszta Koncentráció [g/m 2 ] ábra: Besugárzás csökkenés mértéke különböző szennyezőanyagok és koncentrációknál 94

95 Hőmérséklet növekedés [ C] ISKI Patrik A negyedik ábra a napelem felületi hőmérsékletének növekedését ábrázolja a porkoncentráció függvényében. A hőmérsékletnövekedés mindhárom portípusnál harmadfokú polinommal közelíthető. Megfigyelhető, hogy a legnagyobb hőmérsékletnövekedést a fahamu okozza. 100 g/m 2 porkoncentrációnál 9,67 C-kal nőtt a napelem hőmérséklete. Ezt követi a homok 9,17 C-kal. A legkisebb hőmérsékletnövekedés a cementnél tapasztalható 7,36 C értékkel. Alaphipotézisünk visszaigazolódott. Mivel a homoknak nagyobb a szemcsemérete, mint a cementnek, a fahamunak pedig kisebb a sűrűsége, ezért azonos porkoncentrációnál vastagabb hőszigetelő réteget képez a napelem felületén, ezért a napelem hőmérséklete nagyobb mértékben nőtt Clean Tiszta Koncentráció [g/m 2 ] ábra: Hőmérsékletnövekedés mértéke a porok koncentrációjának függvényében 3. ÖSSZEGZÉS Összességében elmondható, hogy mind a három vizsgált portípusnál jelentős mértékben csökkent a napelem teljesítménye és növekedett a hőmérséklete. Az egyes portípusok közötti drasztikus különbségek a szemcseméret- és a sűrűségkülönbségre vezethető vissza. A homoknál kisebb szemcseméretű cement, illetve a kisebb sűrűségű fahamu nagyobb fajlagos felülettel rendelkezik, ezért azonos koncentrációnál erőteljesebb hatást fejt ki a napelem teljesítményére, a veszteségekre. Ez által a napelem által megtermelt energia csökken és a megtérülési idő kitolódik. A laboratóriumi vizsgálatok azt is bebizonyították, hogy a poros napelem hőmérséklete megnő, amely hosszú távon élettartam-csökkenést eredményez, ezért a szennyeződések eltávolítása fontos a tényező a napelem működése szempontjából. 4. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] BODNÁR I.: Transient electrical characteristics of a solar cell in the case of a cooling and non-cooling solar cell. ANNALS of Faculty Engineering Huneodora- International Journal of Engineering. Vol. XV. No pp [2] BODNÁR I.: Electric parameters determination of solar panel by numeric simulations and laboratory measurements during temperature transient. Acta Polytechnica Hungarica. Óbuda Univesity. Budapest, Hungary, Vol. 15. No pp [3] BODNÁR I.: Napelem hőmérsékletfüggésének kísérleten és szimuláción alapuló vizsgálata. Jelenkori társadalmi és gazdasági folyamatok. XII. évfolyam. 4. szám pp [4] BODNÁR I., KOÓS D.: Determination of temperature coefficient and transient electrical characteristics of a cooled and non-cooled solar module th International Carpathian Control Conference (ICCC). pp

96 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN KÜLÖNBÖZŐ GÁZOSÍTÓ KÖZEGEK FAJLAGOS ENERGIA- TERMELÉSRE GYAKOROLT HATÁSA DIFFERENT GASIFYING MEDIUMS IMPACT ON SPECIFIC ENERGY PRODUCTION ISKI Patrik műszaki szolgáltató, junior kutató, Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Intézet, Villamos Energetikai Kutatócsoport, H-3515 Miskolc- Egyetemváros Kivonat: A tanulmány a tűzifa gázosításának energetikai hatékonyságát mutatja be különböző gázosítóközegek alkalmazása esetén. Részletesen ismertetem a különböző fafajták kémia összetételét és az energiatartalmát. A fa kémiai tulajdonságainak és a reakcióegyenletek függvényében készítettem egy közelítő modellt, aminek a segítségével meg tudom határozni a keletkező szintézisgáz kémiai összetételét és energetikai tulajdonságait. A modell energetikai számításon alapul és numerikusan könnyen megoldható. Alkalmaztam a modellt és megvizsgáltam néhány jellegzetes fafajtát. Kulcsszavak: biomassza, gázosítás, fagáz, kémiai összetétel, energetikai hatékonyság vizsgálat Abstract: This paper presents the Energy Efficiency Analysis of the wood gasification in case of different gasifying mediums. I will describe in detail the chemical composition of different types of trees and the heating value. On the basis of the wood s chemical composition and of the reaction equation I have made an approximate model, which helps to specify the resulting synthesis gas chemical composition and the energetic properties. The basis of the model is an energy calculation, and it can be easily solved numerically. I have applied the model and I analysed some types of trees. Keywords: biomass, gasification, wood-gas, chemical composition, energy efficiency analysis 1. BEVEZETÉS Az erőmű-energetikában egyre nagyobb szerepet kapnak azok a technológiák, amikkel hatékonyabban lehet villamos energiát előállítani. Magyarország éves villamos-energiafogyasztása 2017-ben 45,05 TWh, 2016-ban 44,035 TWh, 2015-ben 43,86 TWh, 2014-ben 43,3 TWh volt. Négy év alatt 4,4%-os volt a növekedés. Éves átlagban ez 1,1%-os fogyasztási igénynövekedéssel jellemezhető, azonban a 2017-es évben 2016-hoz képest 2,3%-os volt a növekedés, amely intenzitás akár tovább is folytatódhat. Az előrejelzések szerint a fogyasztás 2020-ra elérheti a 46,55 TWh-t, ha átlagos fogyasztói bővüléssel számolunk. A hazánkban termelt villamos energia 85%-a nagyerőművekből származik. Összességében a hazánkban megtermelt villamosenergia 14%-a szén és csak 5,25%-a származik biomassza tüzelésű erőművekből. Ez a teljes előállított mennyiség mintegy ötödét jelenti, ezért célszerű ezeket az energiahordozókat hasznosító erőművek, hatékonyságának növelésében gondolkodni [3]. A villamos hatásfok javításának egyik módja a termikus hatásfok növelése, amely a hagyományos Rankine-Clausisu-körfolyamatot alkalmazó erőművekben bevett gyakorlat [6]. Új erőművek építésénél célszerű elgondolkodni a gázosítási technológián, amely nem hagyományos víz-gőz körfolyamatot alkalmaz, hanem gázmotoros és gázturbinás technikai folyamatokat, amelyek adott esetben kombinált ciklusú erőművek kialakítását is lehetővé teszik, így kiemelkedő hatásfokkal is üzemeltethetők. 96

97 ISKI Patrik 2. A FÁS SZÁRÚ BIOMASSZA POTENCIÁL HAZÁNKBAN Magyarország földrajzi adottságainak köszönhetően jelentős megújuló energiaforráspotenciállal rendelkezik. A legnagyobb lehetőség a napenergia hasznosításában rejlik, amit a szélenergia és a biomassza követ. A hazai napenergia-potenciál mintegy PJ-ra tehető, amiből csak 0,1 PJ-t hasznosítunk (2016). A szélenergia esetében hasonlóan kis hasznosítási arány figyelhető meg (532,8 PJ-ból 0,16 PJ) [1, 8]. Az adatok alapján elmondható, hogy e két energiaforrás hasznosításában célszerű gondolkozni, de mindkét esetben egy jelentős műszaki problémával kell szembe néznünk, ami a biomassza hasznosítását előtérbe helyezi. A napelemek csak akkor működnek, ha süt a Nap, továbbá teljesítményüket befolyásolja a beesési szög, a szélturbinák energiatermelése pedig a szél sebességétől függ. Mindezek figyelembevételével ezen erőművek éves teljesítmény-kihasználása jellemzően kisebb, mint a hagyományos erőműveké. Általában 15% körül alakul, ellentétben a biomassza vagy a fosszilis tüzelőanyagú erőművek 75 95%-ával szemben [1, 5]. A megtérülési időt a kihasználtság befolyásolja a legnagyobb mértékben. Tehát míg a napelemes- és a szélturbinás erőművek teljesítménykihasználtsága az időjárás függvénye, addig a biomassza alapú erőművek az időjárástól függetlenül működtethetők. Kockázatot a megfelelő mennyiségű és minőségű tüzelőanyaggal való elláthatóság és a biomassza korlátolt volta jelenti. Ugyanis a biomassza egy olyan megújuló energiaforrás, amely ugyan önmagában képes megújulásra, de véges kapacitással áll rendelkezésre, így alkalmazhatósága lekorlátozódik. Túlzott kiaknázása a természet pusztulásához vezethet, ezért mesterséges megújítása szükségessé válhat. Ezek ismeretében megújítható energiaforrásként kell számon tartani [1]. A hazai biomassza-potenciál 328 PJ-ra tehető, amiből jelenleg 49,2 PJ kerül hasznosítása, ez 15%-os hasznosítási arányt jelent. Hazánk 1,9 millió hektár erdőterületének faállománya mintegy 330 millió m 3 -re tehető. Évente közel 11 millió m 3 a fanövekmény (folyónövedék), ami átlagosan 30 éves megújulási ciklusidőt jelent. Az éves energiahozam 160 PJ. Erdeink nagyobb részét, körülbelül 86%-át lombhullató fák képzik, akác (több mint 50%), cser, tölgyek, bükk, gyertyán, fenyő és egyéb lombos fák [1, 6]. Az energiatermelésre hasznosítható faanyag (energiafa) a kitermelt lombos fáknak a felét, a fenyőknek alig a 20%-át teszi ki. Az évente kitermelhető energiafa 4 4,5 millió m 3 -re becsülhető [1, 8]. A száraz fa fűtőértéke MJ/kg között van. Ezen számok alapján a hazai erdők évi energiafa-potenciálja 56 PJ-re becsülhető. A fakitermeléskor körülbelül 20% apadék keletkezik, viszont ennek egy része fa-aprítékként még tüzelési célokra alkalmazható, a becsült évi értéke 6 PJ [1, 6]. A mezőgazdaság hagyományos tevékenységektől mentesülő területein a jövőben célszerű energiaültetvényeket létrehozni. Ezek lehetnek: fás ültetvények (energetikai faültetvény, energiaerdő), energianád, és lágyszárú ültetvények (energiafű, energiakender, cirok) [2, 7]. Az energiaültetvények hozama, és az erre fordítható területnek a nagysága még nem alakult ki. Ennek a kedvező megítélésnek az alapján, az energetikai célú fa- és növényültetvények évi fajlagos anyaghozama t/ha-ra tehető fajtánként. Fajlagos energiahozamuk pedig elérheti az erdők fajlagos energiahozamának 6 10-szeres értékét, amely GJ/ha évente [1, 5]. A talaj kimerülés egy olyan következmény az energetikai ültetvények létesítése során, amely a talaj tápanyagának visszapótlásával elkerülhető. Magyarország területének 70%-a alkalmas mezőgazdasági tevékenység folytatására. Ha ennek a területnek csak az 5%-át szánnánk az energiaültetvényekre, akkor ott az évi energiahozam összesen 75 PJ lehetne, amely közel azonos nagyságrendű az erdőink energiahozamával. Hazánk mezőgazdasági területeinek csaknem 30%-a kihasználatlan, így hatalmas lehetőségek rejlenek az energiaültetvényekben, anélkül, hogy az élelmiszertermesztéstől vonnánk el területeket. 97

98 Különböző gázosító közegek fajlagos-energiakihozatalra gyakorolt hatása 3. A GÁZOSÍTÁS A gázosítás az egyik legrégebben alkalmazott eljárás szilárd halmazállapotú fosszilis és megújuló energiahordozók éghető szintézisgázzá és folyékony üzemanyaggá történő átalakítására. A gáztüzelés mindazon jó tulajdonságokkal rendelkezik, mint az olajtüzelés, viszont további előnyei is ismertek. Ezek például, hogy az égéstermékek tisztábbak, illetve kevesebb bennük a káros szennyeződés. A gázosítás során felszabaduló szintézisgáz hasznosítása történhet gázturbinákban, ezek legfőbb előnye a berendezések kis mérete, ami nagymértékű gyártóműi készre szerelést, rövid építési időt és alacsony beruházási költséget tesz lehetővé. A legelterjedtebb megoldás a környezeti levegőt beszívó és az égőtérben keletkező gázt egy azonos tengelyre szerelt turbinában expandáltató nyílt ciklusú gázturbina. Fontos tudni, hogy a gázturbinák általában alkalmasak igen gyors (az elhatározástól a teljes terhelésig 7-15 perces) indításra is, így alkalmazhatjuk például egy gyorsindítású csúcserőműben, villamosenergia-termelésre [1, 5]. A folyamat során keletkező termékek halmazállapot szerint lehetnek: - szintézis gáz, amely tartalmazhat például szén-monoxid (CO), metán (CH4), hidrogén (H2), acetilén (C2H2), etilén (C2H4), szén-dioxid (CO2), összetevőket, és nitrogénoxidokat (NOx); - folyékony termék, ezek közé tartozik az olaj, kátrány, bomlási víz; - szilárd végtermék csoportjába tartozó pirolízis koksz, valamint a salak és a hamu. 4. ENERGETIKAI HATÉKONYSÁG SZÁMÍTÁSA Manapság az egyik legfontosabb kérdés az energiahatékonyság. Az energiahatékonyság szorosan kapcsolódik a kereskedelmi, az ipari versenyképesség, és egyre fontosabbá vált a környezetvédelem is. Az energetika számítás célja az, hogy számszerűen meg tudjuk mondani, a gázosítással több villamos energiát tudunk-e előállítani, mint a hagyományos égetéssel. A fajlagos villamosenergia-sűrűségváltozás egy olyan (százalékban) megfogalmazott mérőszám, amivel meg tudjuk becsülni mennyivel hatékonyabb villamos energetikai megközelítésben a gázosítás a tüzelésnél. Először azonban a reakció hatásfokot szükséges meghatározni, amely megmutatja, hogy a szilárd tüzelőanyag energiatartalmának mekkora része jelenik meg az előállított gáztermékben [1]. ahol: - ηr a reakció hatásfok; - ek a gáz energia tartalma a fára vonatkoztatva; - Ffa a konkrét fafajta fűtőértéke. ahol: - Kveg a gázosítás energiakihozatala; - ηgázmotor a gázmotor villamos hatásfoka. η r = e k F fa (1) K veg = η gázmotor e k (2) 98

99 ISKI Patrik A gázosítás energiakihozatalát a gázosító közeg erőteljesen befolyásolja, ezért be kell vezetni az energiasűrűség-változás mérőszámát. Mivel a klasszikus gázosítás levegővel történik, ezért a gázosító közegek változtatásából származó energiakihozatal változást erre célszerű vonatkoztatni. Δe e = K veg új közeggel K veg levegő közeggel (4) ahol: - Δee fajlagos villamosenergia-sűrűségváltozás; - Kveg új közeggel a gázosítás villamosenergia-kihozatala új gázosító közeg alkalmazásával; - Kveg levegő közeggel a gázosítás villamosenergia-kihozatala levegő gázosító közeg alkalmazásával. 5. A MODELLEZÉSI FOLYAMAT ALAPEGYENLETE A modellezés célja azon gázosító közegek megkeresése, amelyek segítségével a biomassza energetikai hatékonyság és gazdasági szempontok figyelembevételével optimális elgázosítása valósítható meg. A modellvizsgálat során meghatározhatjuk az előállított gáztermék összetételét, amelyből közvetlenül számítható fűtőérték, továbbá azt is származtathatjuk, a szintézisgáz egyéb kémiai-energetikai tulajdonságait is. Ezen paraméterek kulcsfontosságúak a hatékony energiatermelés megvalósításához. A felszabaduló szintézisgáz összetételének meghatározásához alkalmazzuk az 5. összefüggést. A kibővített modellegyenlet levegő gázosító közeg alkalmazása esetén a moláris anyagmegmaradás tétele alapján a következő módon írható fel: CHkOl + Nm H2O + m O2 + (3,76 m + an) N2 = = x1 H2 + x2 CO + x3 H2O + x4 CO2 + x5 CH4 + x6 O2 + x7 NO + x8 NO2 + x9 N2 + x10 N2O + xi CdHfOg (5) ahol: - Nm a tüzelőanyag egy mólnyi karbon-tartalmára vonatkoztatott nedvességtartalma; - m a moláris oxigénigény; - 3,76 a nitrogén és az oxigén aránya a levegőben (alternatív gázosító közegek alkalmazásánál más értékkel kell számolni a nitrogéntartalom függvényében); - an a tüzelőanyag nitrogéntartalma; - x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, xi a keresett értékek, azaz a keletkező gázösszetevők moláris mennyisége, amelyek a modellegyenlet megoldásával adódnak. A modellegyenlet megoldása az egyensúlyi állandók módszerével történik, amely a Gaseq nevű szoftverben beépített módszer. 6. A VIZSGÁLT BIOMASSZA TÜZELŐANYAGOK Az elemzések során jellegzetes hazai fafajták gázosítási tulajdonságait vizsgáltam. Az átlagos kémiai összetételeket az 1. táblázat tartalmazza tömegszázalékban megadva. A nedvességtartalom minden fafajta esetében egységesen 20%. A gázosítási hőmérséklet 850 C, amely a kutatómunka korábbi eredményeinek függvényében került meghatározásra [9]. A gázosítás során alkalmazandó légfeleslegtényező függ a tüzelőanyag nedvességtartalmától. Ahhoz, hogy a gázosítás termodinamikai egyensúlya ne boruljon fel a 20%-os nedvességtartalom 0,6-os légfeleslegtényező alkalmazását teszi szükségessé. 99

100 Különböző gázosító közegek fajlagos-energiakihozatalra gyakorolt hatása 1. táblázat: Vizsgált fafajták kémiai összetétele Fafajta Kémiai összetétel [tömegszázalék/száraz bázis] Fűtőérték C H N S O Hamu [MJ/kg] Tölgyfa 53,7 5, ,3 0,6 21,2 Bükk- és Nyárfa 51,6 6, ,5 0,6 20,3 Akácfa 49,5 5,9 0,4 0 43,3 0,9 17,7 Erdei fenyő 50,1 6,1 0,2 0 43,4 0,2 19,5 7. A MODELLEZÉS EREDMÉNYEINEK BEMUTATÁSA A szintézisgáz éghető hidrogént és szénmonoxidot, valamint energetikailag inert széndioxidot, nitrogént, és egyéb komponenseket is tartalmaz. Energia-termelés szempontból az éghető összetevők a legfontosabbak, amik növelik a gáz energiatartalmát, ezért gázosítás során a cél ezen összetevők mennyiségének növelése. E törekvés a gázosító közeg cseréjével valósítható meg. Levegő helyett alkalmazhatunk bármilyen olyan gázt, ami a szükséges oxigén-mennyiség mellett valamilyen formában tartalmaz hidrogént, vagy karbont. Ilyen közeg a vízgőz, valamint a szén-dioxid és oxigén keveréke. Vizsgálatomat mindhárom közegre elvégeztem. A fagáz szén-monoxid és hidrogéntartalmát térfogatszázalékban szemlélteti az 1. ábra. Megfigyelhető, hogy a vízgőz, valamint a szén-dioxid és oxigén gázkeverék típusú gázosító közegek alkalmazásával, egyaránt növelhető a fagáz szénmonoxid és hidrogéntartalma. Értelem szerűen a vízgőz alkalmazása a hidrogén, a szén-dioxid és oxigén gázkeverék a fagáz szén-monoxid tartalmának növelésre fejt ki nagyobb hatást [3] Akác Bükk, Nyár Erdei fenyő Tölgy CO H2 CO H2 CO H2 Levegő Vízgőz CO2 és O2 keverék 1. ábra: A fagáz szén-monoxid és hidrogén-tartalma különböző gázosító közegek esetén térfogatszázalékban A gázosítási technológia hatékonyságát a kémiai, vagy reakció hatásfokkal jellemezhetjük. A 2. ábra szemlélteti a kapott eredményeket. Az elemzés eredményei azt mutatják, hogy a legjobb reakciós hatásfok az akácfa gázosítása során érhető el, vízgőz segédgáz alkalmazásával [4]. A legkisebb hatékonysággal a tölgyfából lehet fagázt előállítani. Összességében elmondható, hogy a levegő lecserélésével a hatásfok növelhető. 100

101 ISKI Patrik Levegő Vízgőz CO2 és O2 keverék Akác Bükk, Nyár Erdei fenyő Tölgy 2. ábra: A gázosítás reakcióhatásfoka %-ban A kémiai összetétel és a reakcióhatásfok mellett, energetikai szemszögből az egyik legmeghatározóbb tulajdonság a fagáz fajlagos energiatartalma (3. ábra). A gázosító közegek szerepe és hatása jól megfigyelhető a fagáz fajlagos energiatartalmának alakulásában. Levegő segédgáz alkalmazásával a fagáz átlagos fűtőértéke 3,59 MJ/Nm 3 -re adódott, vízgőz gázosító közeggel ez az érték megközelítőleg két és félszeresére növelhető (8,71 MJ/Nm 3 ). Hasonló tendencia tapasztalható a szén-dioxid és oxigén gázkeverék használata során is, amivel átlagosan 6,29 MJ/Nm 3 fűtőértékű fagázt termelhetünk vegyes tűzifából. 10 Levegő Vízgőz CO2 és O2 keverék Akác Bükk, Nyár Erdei fenyő Tölgy 3. ábra: A fagáz fűtőértéke MJ/Nm 3 mértékben A 4. ábra a fajlagos energiatermelést szemlélteti. A fajlagos energiakihozatal megmutatja, hogy egy kilogramm tömegű fára vonatkoztatva mekkora energiamennyiséget tartalmaz az előállított fagáz. Megfigyelhető, hogy levegő gázosító közeg alkalmazásánál a legkisebb és vízgőzgázosításnál a legnagyobb fajlagos energiakihozatal. Itt is megfigyelhető, hogy az akácfa rendelkezik a legjobb gázosítási tulajdonságokkal. A vizsgált fafajták átlagával számolva levegő gázosítóközeg alkalmazásával 9,4 MJ/kgfa, vízgőznél 11 MJ/kgfa, széndioxid és oxigén gáz keverékénél 9,7 MJ/kgfa a fajlagos energiakihozatal. 101

102 Különböző gázosító közegek fajlagos-energiakihozatalra gyakorolt hatása Levegő Vízgőz CO2 és O2 keverék Akác Bükk, Nyár Erdei fenyő Tölgy 4. ábra: A fajlagos energiakihozatal MJ/kgfa mértékegységben Az 5. ábra a fajlagos energiasűrűség-változásra vonatkozó modelleredményeket tartalmazza. Látható, hogy ha a levegő gázosító közeget vízgőzre cseréljük, akkor a vizsgált fafajták átlagában átlagosan 17,5%-kal növelhető a fajlagos energiakihozatal. Amennyiben az alkalmazott gázmotoros erőművi blokk villamos hatásfoka nem változik, akkor ezzel megegyező arányban lehet több villamos energiát termelni. Szén-dioxid és oxigén gáz keverékével történő gázosítás során a fajlagos energiakihozatal változása csak 3,4%-kal nagyobb, mint levegővel történő gázosítás során. Mivel a CO2 és O2 gázkeverék költségesen szerezhető be, ezért gazdaságosan nem alkalmazható energiasűrűség növelés céljából. 125% 120% 115% Vízgőz/Levegő CO2 és O2/Levegő 110% 105% 100% 95% 90% Akác Bükk, Nyár Erdei fenyő Tölgy 5. ábra: A fajlagos energiasűrűség-változás %-ban kifejezve 8. KÖVETKEZTETÉSEK, ÖSSZEFOGLALÁS A biomassza tüzelésű erőművek alternatívája a gázosítási technológia, ami lehetővé teszi, hogy a szilárd biomasszából éghető szintézisgázt állítsunk elő, amely így nagyobb hatékonyságú technikai körfolyamatban hasznosítható. Gázosítás során, az alkalmazott segédgáz jelentősen befolyásolja a keletkező gáztermék energiatartalmát. Ha levegő helyett 102

103 ISKI Patrik vízgőz, vagy szén-dioxid és oxigén gáz keverékét alkalmazzuk, akkor nem csak a fűtőérték, hanem az átalakítás hatékonysága is növelhető. A hatékonyság növelése egyben hozzájárul a környezettudatos energiatermeléshez- és felhasználáshoz. Az Európai Unióban hosszútávú cél, hogy a villamosenergia-termelésből származó szén-dioxid és egyéb üvegházhatást okozó gázok kibocsátása a mai szint felére csökkenjen. Ez a cél csak akkor érhető el, ha a villamosenergia-termelésbe egyre nagyobb mértékben kerülnek bevonásra a környezetbarát energiaforrások, valamint a meglévő erőművek, akár hagyományos, akár megújuló energiaforráson alapszik a működése, korszerűsítésre kerül és hatékonyabb üzemeltetést tesz lehetővé. A gázosítás alkalmazása nem csak az átalakítási hatékonyság növelését, hanem az energiarendszer ellátási biztonságának a növelésében is fontos szerepet kaphat, hiszen a gázosítást alkalmazó erőművek gyorsan indíthatók, szabályozhatók és rugalmasabban üzemeltethetők. 9. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az NTP-SZKOLL azonosítószámú Fókusz'19 - Középpontban a közösség projekt keretében valósult meg az Emberi Erőforrások Minisztériuma és az Emberi Erőforrás Támogatáskezelő támogatásával. 10. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] DR. BODNÁR I.: Fás szárú biomasszák és települési szilárd hulladékok termikus hasznosítása, Miskolci Egyetem p [2] BODNÁR I., PLÁSZTÁN B.: Fás szárú biomasszák pirolitikus hasznosításának termokinetikai modellezése, GÉP magazin. A Gépipari Tudományos Egyesület Műszaki Folyóirata. LXVII. évfolyam 3. sz. 2016, pp [3] BODNÁR I.: Fagázosítás energetikai hatékonyság- vizsgálata különböző gázosító közegek alkalmazásával, Műszaki Tudományos Közlemények 3. A XX. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszak Előadásai. Erdélyi Múzeum- Egyesület, Műszaki Tudományok Szakosztálya, Kolozsvár, Románia pp [4] BODNÁR I., SKRIBANEK Á., ISKI P., BLÁGA CS.: Simulation of acacia gasification process with variable operating pressure and temperature th International Carpathian Control Conference (ICCC). pp [5] DR. GERGELY, S.: Biomasszatüzelés. Károly Róbert Főiskola, [6] BÜKI, G.: Kapcsolt energiatermelés. Műegyetemi Kiadó, Budapest p [7] KAZAI, ZS.: Zöld energiát okosan- avagy- A biomassza energetikai célú hasznosításának környezeti fenntarthatósági feltételei. Energiaklub, p. 25. [8] GYULAI, I.: A biomassza dilemma. Negyedik átdolgozott kiadás, Magyar Természetvédők Szövetsége, Föld Barátai Magyarország, p [9] ISKI, P.: Fagázosítás thermokinetikai modellezése változó üzemi paraméterek mellett, Villamosmérnöki Tudományok. 1. évf. 1. sz pp

104 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN DARU-MODELL MECHANIKAI, VALAMINT ERŐSÁRAMÚ TERVEZÉSE MECHANICAL AND HIGH VOLTAGE DESIGN OF A CRANE MODEL KATONA Mihály BSc, hallgató, katona0607@gmail.com Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Villamos Energetika Tanszék Magyar Energetikai Társaság Ifjúsági Tagozata Kivonat: Az oktatás és a későbbi feladatokra való felkészítés szempontjából nagyon fontos, hogy a hallgató egy folyamatot a kezdetektől egészen a gép üzembehelyezéséig megismerjen, ilyen módon elsajátítva egy átfogó, rendszerszintű szemléletet. Az alábbi téma ennek az útnak az első részét mutatja be. Minden projekt megkezdésének első lépése a célok kitűzése, amelyek közül ebben az estben a legfontosabbak az oktatási célú felhasználási lehetőségek, ennek értelmében minél több vezérlési és szabályozási folyamat beépítése, egy gazdaságos koncepció kialakítása, végül, de nem utolsó sorban a mobilitás és az egyszerű elszállítás. A továbbiakban olvashatnak a legelső koncepció részeiről, alapanyagairól és az azt alkotó elemek főbb számairól és az ezek alapján készült költségszámításról. Egy ilyen szerkezet építése során nem szabad megfeledkezni a működés során az azt érő terhelésekről. A terhelési számítások kétdimenziós, egyvonalas mechanikai modell használatával történtek, és ezt felhasználva kerültek kiválasztásra a mozgatáshoz szükséges motorok is. Kulcsszavak: modellezés, oktatás, terhelés vizsgálat, elektromos motor választás, költség Abstract: In terms of education and preparation for later assignments, it is important that the student learns a process from the beginning to the installation of the machine, thereby acquiring a comprehensive, systemwide approach. The following topic presents the first part of this journey. The first step of each project is to set the goals, the most important aspects of these, that are the educational uses, which means the integration of regulatory and control processes, involves the creation of an economical concept, and last but not least, mobility and simple transportation possibilities. In this article you will find information on the parts, basics of the first concept, and the evaluation of the main elements, and the cost calculations based on these numbers. While constructing such a machine, it is important not to forget about the loads that are occurring the structure during operation. The load calculations were performed using a two-dimensional, single-line mechanical model, and using these result the motors were chosen, that are moving the test object. Keywords: modelling, education, load, electric motor, expense 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK ÉS A KONCEPCIÓ Az oktatás és a későbbi ipari feladatokra való felkészítés szempontjából nagyon fontos, hogy a hallgató egy folyamatot a kezdetektől egészen a gép üzembehelyezéséig megismerjen, ilyen módon kialakítva saját magának egy átfogó, rendszerszintű szemléletet. A kutatási téma kialakításánál ezen, a korábban leírtak képviselték a figyelembe vett legfőbb szempontokat. Jelenkorban az automatizált vezérlés és szabályozás egyre fontosabb szerepet játszik mind az iparban kialakított folyamatokban, mind a közéletben, ilyen módon lecsökkentve az emberi beavatkozás szükségességét. Ezen esetben fontos, hogy a hallgatók ne csak a ipari környezetbe való bekerülés után, hanem már az egyetem berkein belül is megismerkedjenek ezen programokkal mint a jelenleg az iparban legnagyobb mértékben elterjedt PLC eszközök és az azok programozásához szükséges szoftverek példaképpen a Siemens által használt TIA portal azok működésével, felépítésével és gyakorlati felhasználási lehetőségeik- kel. A felsoroltak közül az utóbbi megvalósítására szolgál jelen tanulmány. 104

105 KATONA Mihály Első körben a tervezés megkezdése előtt a legfontosabb feladatot a célok kitűzése jelentette, amely során öt fő szempont fogalmazódott meg. A legelső az egyszerű felépítés volt, hiszen maga a váz csak helye azon vezérlési és szabályozási rendszereknek, amelyek az oktatás magját képezik. Emellett, ezzel egyetemben az egyszerű legyártási folyamat is fontos szerepet kapott, ennek értelmében arra törekedtünk, hogy az alapanyagok kiválasztása során minél több elemet lehessen helyettesíteni a piacon megvásárolható, úgynevezett katalógus alkatrészekkel. Eme megfontolás magával vonzza, egy gazdaságos koncepció kialakítását, hiszen az egyedi gyártású elemek alkalmazásának minimalizálásával a gyártási és összeszerelési költségek is visszafoghatók. Korábban is említésre került, de a fő szempont az oktatási célú felhasználás megvalósítása. A soron következő két szempont ezen megfontolást szolgálja: a gyors össze- és szétszerelhetőséget, kis helyigényű tárolást és gazdaságos szállítási lehetőségeket egy egységként figyelembe véve, emellett a rendszerbe szerelhető vezérlő és szabályozó egységekből gyakorlatban megvalósítható lehető legtöbb lehetőség kiaknázása. A fenti megfontolások alapján kerültek meghatározásra a koncepció legfontosabb keretszámai, amelyek alapján a három dimenziós tehermozgatás olyan módon valósulhat meg, hogy az úgynevezett testen amely a konstrukció alapját jelentő a tartószerkezet és tervezés során statikus elemnek tekintettünk, de felmerült, hogy későbbiekben annak használat alatti mozgatására is lehetőséget teremthessünk a főtartó az 1. ábrán látható módon kitérhessen, emellett az azon futó úgynevezett macska, amely az áthelyezésre szánt próbatest emeléséért és X irányú mozgatásáért felel, keresztirányú kitérést végezhessen. Végül, de nem utolsó sorban a macska által végzett Z irányú emelési munkával mind a horizontális, mind a vertikális kitérés is lefedésre került. A kezdeti koncepció kialakítása során a teljes rendszer méreteit 1x1x1 méteres befoglaló kockában határoztuk meg, amelynek térfogata a későbbiek során kissé növekedett. Végül de nem utolsó sorban a próbatest tömege került meghatározásra, amely a mozgató motorok kiválasztása során a teljesítmények kiszámítása közben elengedhetetlen szerepet játszott, ezen érték első körben 5, végül 25 kilogramm értékben került kikötésre. 1. ábra: Befoglaló méretek és kitérési irányok 105

106 Daru-modell mechanikai, valamint erősáramú tervezése 2. ANYAGVÁLASZTÁS, TERVEZÉS ÉS GAZDASÁGI KALKULÁCIÓ Az anyagválasztás során a legnagyobb fejtörést a testet alkotó, megfelelő szabványos elem kiválasztása volt. Több vaskereskedelmi cég kínálatának átvizsgálása során és azok acéltermékeinek meg- ismerésével a döntés a HEB 100 típusú acélgerendára esett, mivel teherbírás szempontjából kialakítása okán megfelelő mértékben képes ellentartani mind a próbatest által, az önsúlyból és elektronikából adódó terhelésnek, emellett a lapos felületek nagy száma megkönnyíti a szerelést és összeillesztést is. A 2. ábrán kiemelt bevágás alkalmas a kábelezés elvezetésére, végül egy fedőlap ráillesztésével a modell megjelenése is esztétikailag elfogadhatóbbá válhat. 2. ábra: HEB 100 acélgerenda átalakításának tervei A továbbiakban a három fő alkotórész gyártásához szükséges alapanyagok és megmunkálási folyamatok eredményeképpen kialakított egyéni furatok, varratok stb. számának kalkulációja során tett észrevételek következnek, amely számítások külön külön elkészültek elemenként, de jelen esetben ezek eredményeket összesítő értékek vizsgálatára kerül sor. 1. táblázat: Anyagok és gyártási elemek számának összefoglaló táblázata katalógus alkatrészek 377 db egyedi alkatrészek száma 14 db furatok száma 181 db csavarok száma 92 db anyák száma 156 db alátétek száma 140 db hegesztési varratok száma 30 db összeszerelt alkatrész súlya 341,53 kg becsült anyagköltség Ft Ahogyan az 1. táblázatból is kivehető az egyedi alkatrészek száma minimális, az anyagmegmunkálásból adódó átalakítások, főképpen furatok számáról ez már nem mondható el, amely azzal magyarázható, hogy ilyen módon az összeszerelés könnyebb. Két szembetűnő érték lóg ki az értékek sorából, miszerint a teljes szerkezet tömege közelítőleg ~340 kg, amelyből ~270 kg csak a test. Összehasonlítva ezt a próbatest kalkulációkhoz felhasznált 25 kg tömegével, akkor elmondhatjuk, hogy a modell a saját tömegének 7 106

107 KATONA Mihály százalékát képes megemelni. Az iparban elterjed darukhoz képest ez óriási elmaradás, hiszen azok képesek közel saját tömegüket vagy többet megemelni. A laboratóriumi felhasználás során ezt nem tekintjük vezető szempontnak, de a továbbiakban szükséges a szerkezet bizonyos elemeinek helyettesítése könnyebb anyagokkal. Emellett a szükséges építőelemek költségkalkulációja során a teljes anyagköltség ~ Ft köré tehető, amely során nem került beszámításra a gyártás, a kiszállítás, a megmunkálás, a munkaerő és a korábbiakhoz szükséges eszközök költségei sem. Ezen kettő megállapítást figyelembe véve elmondható, hogy az alapanyagok kiválasztása során nem csak a műszaki jellemzőket szükséges figyelembe venni, hanem azok árait is, ilyen módon törekedve egy gazdaságos, de műszakilag is elfogadható, oktatási célra megfelelő koncepcióra. 3. MOTORVÁLASZTÁS 3. ábra: A modellt képező három fő elem 3D tervezett elemei (balról jobba: macska, főtartó, test) A motorválasztás folyamata során a szerkezetre ható terheléseket egyvonalas mechanikai modell segítségével közelítettük, emellett a megfelelő motor kiválasztása egy a Siemens által használt szabvány a Standard Drives Engineering Manual 10/2008 alapján történt [1]. 4. ábra: Főtartó egyvonalas terhelési modellje 107

108 Daru-modell mechanikai, valamint erősáramú tervezése 2. táblázat: Főtartó terhelési vizsgálatának eredményei Paraméter Érték [m] Paraméter Érték [N] Paraméter Értékek [N] a 0,213 Aymin 185,53 Bymax 462,29 b 0,313 Aymid 323,92 Bymid 323,92 c 1,330 Aymax 462,29 Bymin 185,53 d 0,252 P = m g / c = (21,04 9,81) /1,330 = 155,18 N / m (1) Ft =m g=25 9,81=245, 25 N (2) F1 = ( m g) / 2 = (20 9,81) / 2 = 98,1N (3) F2 = ( m g) / 2 = (20 9,81) / 2 = 98,1N (4) X : Fyx = F2x = Ftx = Px = 0 (5) Y : Ax + By ( F1y + F2 y + Fty + P c) = 0 (6) Ay + By = 245, ,1+ 98,1+ 155,18 1,330 = 647,83 N (7) A fentiek alapján Bühler Gear Motor 70 x 129 / típusú motor került kiválasztásra. 5. ábra: Macska egyvonalas terhelési modellje 3. táblázat: Macska terhelési vizsgálatának eredményei Paraméter Érték [m] Paraméter Érték [N] Paraméter Értékek [N] a 0,204 Cymin 196,2 Dymax 4741,45 Cymax 441,45 Dymin 196,2 Ft = m g = 25 9,81 = 245, 25N (8) P = ( m g) / c = (20 9,81) / 0,204 = 961,72 N / m (9) X : Ftx = Px = 0 (10) Y : Cy + Dy ( Fty + P a) = 0 (11) Cy + Dy = 245, , 2 = 441, 45N (12) 108

109 KATONA Mihály Stabilitási szempontból a macska mozgatását két motor végzi, ilyen módon az egy motorra jutó terhelés közelíthetőleg feleződik. A fentiek alapján Bühler Gear Motor 70 x 129 / típusú motor került kiválasztásra. 6. ábra: Csörlő egyvonalas terhelési modellje Fk = Ft / 2(( mt + ms) g) / 2 = ((25 + 5) 9,81) / 2 = 147,15N (13) A fentiek alapján Bühler Gear Motor 70 x 129 / típusú motor került kiválasztásra. 4. ÖSSZEFOGLALÁS A projekt a tervezett előrehaladás legelső szakaszát teljesítette. Megalkotásra került a modell első terve, amely rendelkezik a verzió gyermekhibáival is. A továbbiakban szükséges újragondolni a szerkezethez felhasznált anyagok listáját, mind műszaki, mind gazdasági szempontokat figyelembe véve, amelyek változása hatással van továbbá a motorválasztás eredményére is, hiszen az elemek lecserélésével változnak a szerkezetet érő terhelések formái és nagyságai is. 5. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] SIEMENS: Standard Drives Engineering Manual

110 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN HÁZTARTÁSI MÉRETŰ KISERŐMŰ ILLESZTÉSE AZ IPARI FOGYASZTÓK GYAKORLATÁBAN HOUSEHOLD-SCALE DISTRIBUTED GENERATION IN THE PRACTICE OF INDUSTRIAL CONSUMERS ifj. Katona Mihály 1, Bárány Ilona 2, Hunyadi Sándor 3 1 BSc, hallgató, katona0607@gmail.com Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Villamos Energetika Tanszék Magyar Energetikai Társaság Ifjúsági Tagozata Hunyadi Kft. 2 Okl. Energetikai mérnök, barany.ilona@hunyadi.hu Hunyadi Kft Budapest, Gyár utca Energiagazdálkodási szakmérnök, hunyadi.sandor@hunyadi.hu Hunyadi Kft Budapest, Gyár utca 14. Kivonat: Jelenleg Magyarország területén a fotovillamos energiatermelés a legnagyobb képviselője a megújuló technológiáknak, mintsem mutatja jobban, mint a Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatalhoz benyújtott összesen közel 2000 MW napelempark telepítési pályázatok száma, emellett a folyamatos kisebb-nagyobb projektek megvalósulása, mint az MVM Solar projekt keretei között épülő paksi és felsőzsolcai napelemparkok, emellett a 108 helyen egyenként 0,5 MW teljesítményű fotovillamos erőművi beruházásaik. Ezek mellet a háztartási méretű kiserőművek (HMKE) elterjedése sem elhanyagolható, hiszen azok beépített összteljesítménye között négyszeresére növekedett. A piacon legnagyobb számban megjelenő cellatípus a polikristályos technológia, hiszen szórt fény beesése esetén is megfelelő teljesítményen képes üzemelni, emellett megfizethető. Jelen tanulmányban a K2 Base On online tervezőprogram és a Photovoltaic Geographical Information System (PGIS) alapján készült becslések kerültek összevetésre egy ipari fogyasztó energiaigényével. A nagyobb ipari fogyasztók gyakorlatában egy HMKE behatása energiamegtakarítás szempontjából kevés esetben számottevő, hiszen az igények és a termelés között nagyságrendi különbségek lehetnek, emiatt érdemes megvizsgálni a teljesítményszabályozási lehetőségeket is, amelyhez szükséges energiatároló rendszer telepítése. Kulcsszavak: fotovillamos energiatermelés, napelem, megújuló energiaforrás, ipari fogyasztó, háztartási méretű kiserőmű Abstract: Currently, in Hungary, photovoltaic energy generation is the largest representative of renewable technologies. Nearly 2000 MW installation of photovoltaic power plants are submitted to the Hungarian Energy and Utilities Regulatory Authority, as well as the implementation of smaller and larger projects such as the MVM Solar project in Paks and Felsőzsolca, or the 108 photovoltaic power plants of 0.5 MW each. Apart from this, the spread of household-scale distributed energy generation is not negligible as their built-in total solar power increased for four times between 2014 and The largest number of solar cell types in the aspect of marketshare is the polycrystalline technology, as they are affordable and capable of operating at a decent performance even by scattered radiation. In this paper, estimates based on the K2 Base On online database and on the Photovoltaic Geographical Information System (PGIS) were compared with the energy demand of an industrial consumer. In the practice of industrial consumers, the impact of household-scale photovoltaic energy generation on energy saving is insignificant in most cases, because there is difference in the order of their magnitude, so it is worth examining the power management potential for which it is necessary to install an energy storage system. Keywords: fotovoltaic energy, solar panel, renewable energy, industrial consumer, household-scale distributed energy generation 110

111 ifj. KATONA Mihály, BÁRÁNY Ilona, HUNYADI Sándor 1. FOTOVILLAMOS HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK 1.1. Egykristályos szilícium cellás napelemek Az egykristályból növesztett, nagy tisztaságú szilícium cellákból felépülő napelem panelek könnyen megkülönböztethetők polikristályos társaiktól, hiszen az előbbi cellák felépítése jellegzetes nyolcszög alakú. Az egykristály szerkezet előnye, hogy nagy hatásfokú, stabil energiaátalakításra képes, amely 20 22% közé tehető, emellett a cellákat direkt érő sugárzás esetén képes a legnagyobb teljesítmény kiadására. A gyártási technológia komplexitásából adódóan ezen panelek ára magasabbra tehető [1] Polikristályos szilícium cellás napelemek A polikristályos cellák gyártási folyamata egyszerűbb, mint az előbb említett esetben, hiszen ekkor négyzet alakú tömbökből, több kristályban megdermedt, kivágott szilícium szeletek összessége adja a panel felépítését. A hatásfok némileg visszamarad, 14 19% közé tehető, de stabil termelésre képes, emellett túlnyomó részt szórt fény beesése esetén is jó hatásfokú energiaátalakításra képes [2] Vékonyfilm rétegű napelemek A tárgyalt technológia során kémiai eljárással közvetlenül a frontfelületen létrejövő egységes, vékony filmréteg kialakítású félvezetők között jelenleg a tömeggyártásban elterjedt három típust különböztetünk meg: Az a-si-µsi, azaz amorf és mikromorf szilíciumból felépülő panelek, amelyek szilán gáz kristályosításával 5-12% hatásfokú energiaátalakításra képesek. Sőt, évben Kim et al. [3] bemutatott egy stabil 13,4% hatásfokú a-si-µsi napelemet is. Ellenben a CdTe, vagyis kadmium-tellurid típusú panelek már a 18 20% hatásfokot is elérhetik, de ezek felett áll jelenleg a CIGS, réz-indium-gallium-diszelenid technológiával gyártott vékonyrétegű panel ~21% csúcshatásfokával, amelyet a Solar Frontier mutatott be [4, 5]. 1. ábra: Vékonyfilm rétegű napelem panelek megoszlása a teljes villamosenergiatermelésben, forrás: [6] 111

112 Háztartási méretű kiserőmű illesztése az ipari fogyasztók gyakorlatában 2. ábra: Napelem panel típusok megoszlása az éves energiatermelésben, forrás: [6] 1.4. Magyarország jellemzői a napsugárzási viszonyokat tekintve Magyarországon a napsütéses órák száma évben 27%-kal több volt, mint a közötti időszakban, megközelítőleg óra [7]. A napsugárzás földfelszíni teljesítménysűrűsége átlagosan a napállandó 41%-a, vagyis 558 W/m 2 [8]. A vízszintes felületre érkező direkt napsugárzás (DNI) éves fajlagos energiamennyisége ~1.280 kwh/m 2 /év [9]. Magyarország egyes területei között a napsugárzási energiahozam szempontjából nincsenek jelentős eltérések, a vízszintes felületre érkező napsugárzás éves energiamennyiségét azonban a különböző források kis eltéréssel ábrázolják. Globálsugárzás alatt a Napból érkező közvetlen sugárzás, valamint az égbolt minden részéről érkező szórt sugárzás összegét értjük. A Global Solar Atlas adatai alapján a napelemek csúcsteljesítménye és az azokból átlagosan kinyerhető villamos energia közötti arányszám (a) az alábbi értékkel jellemezhető: a = 1204 kwh / kwp (1) Ilyen módon az átlagosan kinyerhető éves villamosenergia-mennyisége, a törvényileg meghatározott, maximálisan 50 kva látszólagos teljesítményű fotovillamos rendszer telepítése mellett alább definiált. Továbbiakban feltételezzük, hogy a rendszer teljesítménytényezője közel 1, így számításainkat kwp dimenzióban végeztük el. Ea, p = a Pp = = 60200kWh (2) ahol: - Ea,p a becsült éves fotovillamos maximális energiahozam [kwh/év]; - a a napelemek csúcsteljesítménye és az azokból átlagosan kinyerhető villamos energia közötti arányszám [kwh/kwp]; - Pp a tervezett rendszer csúcsteljesítménye [kwp]. 112

113 ifj. KATONA Mihály, BÁRÁNY Ilona, HUNYADI Sándor 3. ábra: A globálsugárzás átlagos évi értéke Magyarország területén kwh/m 2 -ben, forrás: 2. A RENDSZER TELEPÍTÉSI LEHETŐSÉGEI 2.1. Tervezési paraméterek Háztartási méretű kiserőműveknek nevezzük azon rendszereket, amelyek névleges teljesítménye nem haladja meg az 50 kva értéket. Ekkor a telepítés nem engedélyköteles, az elszámolási forma szaldóelszámolás, vagyis a közműhálózatba visszatáplált és vételezett villamos energia differenciája kerül kiszámlázásra a fogyasztó irányába. Egy ipari fogyasztó telephelyén két kategóriába sorolható felület került vizsgálatra beépíthetőség szempontjából, amelyből az egyik részben árnyékolt, könnyűszerkezetes fedett parkoló tetőszerkezete, amelynek a mérete megközelítőleg 640 m 2, emellett a ~7.000 m 2 beépíthető, szabad zöldterület. A fentebb definiált felületek optimális kihasználtsága esetén. és figyelembe véve, hogy a napelemek felülete átlagosan 1,63 m 2, 275 Wp panel egységteljesítmény mellett, 35 -os dőlésszöggel kerül telepítésre a rendszer, akkor az alábbiak határozhatók meg. Továbbiakban a fedett parkolóra való telepítést elemezzük. A tetőszerkezetre telepített panelek dőlésszögének eltérése 23 a tető dőlésszögétől. A K2 Base On tervezőprogram segítségével, amely GPS koordináták alapján elemzi a rendszer szükséges panelszámát, várható csúcsteljesítményét, emellett közelíti a telepített rendszer szél és hóterhelését is, a bevitt alapadatok alapján az alábbi eredményekre jutottunk. A már korábban említett fedett parkoló két különálló részt alkot, amelyek félnyeregtető elrendezésűek. A tetőszerkezet dőlésszögére merőleges irány kelet-nyugati, így míg az egyik felület normáltja az északi iránytól ~12 eltéréssel ideális déli irányú, addig a másik arra párhuzamos eltéréssel északi irányú. A déli irányú tetőszerkezet felülete 40 m x 8 m, vagyis 320 m 2 méretű, ahol figyelembe véve a 9 x 5 panelből álló modulok a tetőszerkezet szélétől vett 0,5 m peremtávolságát, a modulok közötti 0,5 m távolságot, egy Canadian Solar CS6K- 275P panelfelületét és a tervezőprogram alapján ajánlott 180 darab panelszámot a hasznos felület ~295 m 2 körülire tehető Energiahozam A K2 Base On tervezőprogrammal becsült csúcsteljesítmény a déli irányultságú felület esetén a korábban megfogalmazott keretek között 49,5 kwp érték körülire tehető részleges árnyékolás esetén, amíg a hasonló tervezési paraméterekkel rendelkező északi felület 19,8 kwp értékű, így továbbiakban kizárólag a déli tetőszerkezetre való telepítés lehetősége kerül kifejtésre. 113

114 Energiahozam [kwh] Háztartási méretű kiserőmű illesztése az ipari fogyasztók gyakorlatában Az éves kihasználtsági tényező (b), amely a csúcs és a tényleges teljesítmény arányszáma, alább definiált: Ea, p = a Pp, b = ,5 = 59598kWh (3) b = Eb / Ea, p = / = 0,8859 (4) ahol: - Pp,b a K2 Base On tervezőprogram alapján számított csúcsteljesítmény [kwp]; - Eb a Photovoltaic Geographical Information System által becsült éves energiahozam [kwh/év]; - b éves kihasználtsági tényező [-]. Összehasonlítva a tervezőprogram által becsült értékeket és egy már üzembe helyezett 49 kwp csúcsteljesítménnyel rendelkező napelemes rendszer évi negyedórás energiatermelési adatait, azokat összegezve elmondható, hogy az értékek közelítőleg megfelelnek a becslésnek (7. ábra). 1. táblázat: Becsült átlagos napi és havi energiahozam, forrás: PGIS Hónap Napi átlagos energiahozam Havi átlagos energiahozam Január 55 kwh kwh Február 95 kwh kwh Március 162 kwh kwh Április 197 kwh kwh Május 204 kwh kwh Június 204 kwh kwh Július 203 kwh kwh Augusztus 203 kwh kwh Szeptember 164 kwh kwh Október 129 kwh kwh November 75 kwh kwh December 41 kwh kwh Éves energiahozam: kwh Hónap Havi átlagos energiahozam (PGIS) 4. ábra: Becsült átlagos havi energiahozam, forrás: PGIS 114

115 Energiafelhasználás [kwh] ifj. KATONA Mihály, BÁRÁNY Ilona, HUNYADI Sándor 3. FOGYASZTÁSI JELLEMZŐK Az ipari fogyasztó heti teljesítményadataiból jól kivehető, hogy a termelés hétvégére leáll, ilyen módon csak a fenntartáshoz szükséges minimális eszközök teljesítményigénye került ábrázolásra között. A hétfői teljesítményingadozást feltehetőleg a termelő berendezések indítása okozta. Elmondható, hogy az teljesítményigény megnövekedése reggel 06:00 és este 22:00 óra közé tehető, vagyis a reggeli, és a délutáni műszak idejére. Az éjszakai műszak során az teljesítményigény átlagosan 10 12%-ot esik vissza a nappali átlaghoz képest. 2. táblázat: Ipari fogyasztó napi és havi energiaigénye Hónap Napi átlagos energiafelhasználás Havi energiafelhasználás Január 3.538,39 kwh ,06 kwh Február 4.142,42 kwh ,13 kwh Március 4.060,90 kwh ,88 kwh Április 3.549,97 kwh ,13 kwh Május 3.505,08 kwh ,63 kwh Június 3.381,35 kwh ,63 kwh Július 3.706,40 kwh ,25 kwh Augusztus 3.684,78 kwh ,31 kwh Szeptember 3.735,09 kwh ,69 kwh Október 3.455,26 kwh ,19 kwh November 4.368,02 kwh ,63 kwh December 4.059,44 kwh ,56 kwh Éves energiafelhasználás ,06 kwh Hónap Havi energiafelhasználás 5. ábra: Ipari fogyasztó havi energiaigénye 115

116 : : : : : : : : : : : : : : :00 Teljesítmény [kw] Háztartási méretű kiserőmű illesztése az ipari fogyasztók gyakorlatában Dátum 6. ábra: Fogyasztó egyheti teljesítményadatai [kw] ÖSSZEFOGLALÁS A 7. ábra foglalja magában a háztartási méretű kiserőmű prognosztizált heti energiatermelését július hónapban, két egymást követő hét esetén, emellett az ipari fogyasztó energiaigényét. Jól kivehető a görbe nagy meredekségű változásából, hogy amíg a hónap elején szombaton is munkanap volt, addig a hónap végén már munkaszüneti nap. A HMKE becsült villamosenergia-termelése jóval kevesebb, mint az ipari fogyasztó energiaszükséglete, így az egy hónapra vetített megtakarítás mértékével csökkentett fogyasztás százalékos értéke az alapfelhasználáshoz képest a korábban feltüntetett adatok alapján július hónapra: Em = ( Ejul, f - Ejul, hmke) / Ejul, f 100 = (114898, ,55) /114898, = 94% (5) ahol: - Em a megtakarított energia mértékével csökkentett igény az alapfelhasználáshoz képest [%]; - Ejul,f az ipari fogyasztó július havi energiaigénye [kwh]; - Ejul,hmke a tervezett napelemes rendszer július havi becsült energiatermelése [kwh]. Összevetve a tervezett háztartási méretű kiserőmű becsült, átlagos napi és havi energiahozamát az ipari fogyasztó tényleges napi és havi energiaigényével megállapítható, hogy az energia és a pénzügyi megtakarítás mértéke kettő, illetve egy nagyságrenddel kisebb, mint az eredeti érték, kizárólag a termelés leállása esetén haladja meg az energiatermelés az igényeket. Ebben az esetben három eshetőséget érdemes megvizsgálni. Az első, hogy az ipari fogyasztó a hétvégi túltermelését a közmű hálózatba táplálja vissza, amennyiben az realizálódik, ekkor a többlet energia mértékével csökkentett felhasznált villamosenergiamennyiségét szükséges megfizetnie. Ekkor tekinthetünk úgy a hálózatra, mint energiatároló. Az éves adatokat áttekintve nem valószínű, hogy a differencia negatív értéket vesz fel, amennyiben mégis, akkor sem számottevő mértékben. Második esetben energiatároló rendszer telepítésével lehetséges a többlet energiát eltárolni, majd a szükség esetén azt felhasználni a csúcsidei elszámolás idején, vagy azt teljesítményszabályozásra felhasználni. A fogyasztó maximális teljesítményigénye július hónapban 255 kw volt, a munkaidei átlagos teljesítmény 225 kw köré tehető. A negyedóránként regisztrált maximális teljesítmény adatok alapján regisztrátumból esetben történt az átlaghoz képesti teljesítménytúllépés. 116

117 hétfő 0:00 hétfő 12:00 kedd 0:00 kedd 12:00 szerda 0:00 szerda 12:00 csütörtök 0:00 csütörtök 12:00 péntek 0:00 péntek 12:00 szombat 0:00 szombat 12:00 vasárnap 0:00 vasárnap 12:00 hétfő 0:00 Teljesítmény [kw] ifj. KATONA Mihály, BÁRÁNY Ilona, HUNYADI Sándor Abban az esetben, ha a rendszer részét képezi egy energiatároló egység, amely segítségével a HMKE kiadott teljesítménye mind időben, mind mértékben szabályozható, akkor az a fogyasztó számára gazdasági előnyökkel járhat, hiszen ebben az esetben optimalizálható a fogyasztó teljesítménylekötésének mértéke, amely túlbecslés esetén számottevő felesleges kapacitások lekötésével és azzal együtt járó kiadásokkal, míg alulbecslés esetén komoly pótdíj fizetési kötelezettségekkel jár. Végül, de nem utolsó sorban a HMKE kiadott teljesítménye leszabályozható az inverter segítségével, ilyen módon a túltermelés kárba vész Dátum Kiadott teljesítmény [kw] Teljesítményigény [kw] Kiadott teljesítmény [kw] Teljesítményigény [kw] ábra: A HMKE egy hétre vetített prognosztizált energiatermelésének és az ipari fogyasztó energiafelhasználásának összehasonlítása 5. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] SOURAV, K. et al.: Performance analysis of perovskite and dye-sensitized solar cells undervarying operating conditions and comparison with monocrystallinesilicon cell, Cornwall 2017; [2] BHUBANESWARI, P. et al.: A review of solar photovoltaic technologies, Chennai, 2010; [3] SOOHYUN, K., et al.: Remarkable progress in thin-film silicon solar cells using highefficiency triple-junction technology, Sol Energy Mater Sol Cells 2013; [4] GIFFORD, J.: Solar frontier hits 22.3% on CIGSCell. Ind Suppliers Mark Trends, 2015; [5] TAESOO, D. L., ABASIFREKE, U. E.: A review of thin film solar cell technologies and challenges, Charlotte, 2016; [6] FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS: Photovoltaics report, Freiburg 2018; [7] ORSZÁGOS METEOROLÓGIAI SZOLGÁLAT: Éghajlati visszatekintő az elmúlt évek időjárására, Hozzáférés dátuma: ; [8] KASZÁS, Cs.: Napenergia hasznosítás, Hozzáférés dátuma: [9] GLOBAL SOLAR ATLAS: Hozzáférés dátuma:

118 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN NAPELEM JELLEGGÖRBÉK VIZSGÁLATA ELTÉRŐ HŐMÉRSÉKLET- ÉS FÉNYINTENZITÁS VISZONYOK MELLETT EXAMINATION OF SOLAR CELLS CHARACTERISTICS IN CASE OF DIFFERENT TEMPERATURE- AND LIGHT INTENSITY CONDITIONS KOÓS Dániel 1 1 MSc hallgató, junior kutató, daniel.koos1@gmail.com 1 Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék, Villamos Energetikai Kutatócsoport, 3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: A cikk témája napelem jelleggörbéinek laboratóriumi meghatározása különböző hőmérséklet- és fényintenzitás értékek esetére. A vonatkozó szabvány feltételeinek (ASTM E975) megfelelő megvilágítást a sajátfejlesztésű napszimulátorunk biztosítja. A napelem hőmérsékletét Peltier-elem alapú hűtőmodullal befolyásoljuk. A méréseket kisméretű polikristályos napelem cellán végezzük. A terhelt napelemre jellemző feszültség-áramerősség, feszültség-teljesítmény, ellenállás-teljesítmény, ellenállás-hatékonyság karakterisztikák kerülnek meghatározása. Kulcsszavak: napelem, napszimulátor, terhelt, U-I jelleggörbe Abstract: Experimental examination of solar cells characteristics in case of different temperature- and light intensity values is described by this article. Standard illumination (ASTM E972) is ensured via our own developed solar simulator. Temperature of solar cell is influenced with the help of cooling system based on Peltier-modules. Measurements are carried out on small sizes polycrystalline solar cell. Voltage-current, voltage-power, resistance-power, resistance-efficiency characteristics of loaded solar cell are determined. Keywords: solar cell, solar simulator, loaded, U-I characteristic 1. BEVEZETÉS A napelemek olyan félvezető eszközök, amelyek működését és hatékonyságát számos tényező befolyásolja. Kutatásaink során javarészt az üzemvitel alatt fellépő külső tényezők hatását vizsgáljuk. Ilyen külső tényező például a környezeti hőmérséklet, az abszorbeált fény intenzitása vagy az abszorber felületen megjelenő szennyeződések. Ezen faktorok jelentősen módosíthatják a gyártó által megadott elektromos paraméterket, az eszközre jellemző karakterisztikákat. Korábbi munkánk során már vizsgáltuk a napelemek jelleggörbéinek változását különböző hőmérséklet értékek mellett [1], azonban jelen méréssorozatunk során különböző hőmérsékletés fényintenzitás értékek mellett határozzuk meg egy kisméretű napelemcella elektromos karakterisztikáit a korábbi mérésekhez képest sokkal fejlettebb mérő-apparátus segítségével. 2. MÉRÉSI ÖSSZEÁLLÍTÁS 2.1. Napszimulátor A napelemek laboratóriumi vizsgálata során az egyik legfontosabb feladat a napsugárzás megfelelő reprodukálása, amelyhez úgynevezett napszimulátorokat alkalmaznak. A napszimulátorokra érvényes követelményekkel az American Standart for Testing and Materials (ASTM) E972-es szabványa foglalkozik és különböző kritériumok álapján három osztályba sorolja a szabványos napszimulátorokat. A szabványos készülékeknek minden kategória esetén 118

119 Intenzitás [W/m 2 ] KOÓS Dániel biztosítani kell tudniuk a földfelszíni (AM 1,5) maximális W/m 2 átlagos fényintenzitás értéket. A szabvány megadja, hogy AM 1,5 esetén a spektrumegyezést 400 nm nm hullámhossz tartományon kell vizsgálni. Az A, B és C osztályok közül a legmegengedőbb, C osztályú napszimulátorral való megvilágítás spektrumának eltérése a napfényéhez képest %, míg a megvilágítás térbeli, valamint időbeli egyenetlensége maximum 10% lehet [2]. Az általunk épített C-osztályú napszimulátor szabványos megvilágítást képes biztosítani maximálisan 15 cm x 15 cm területű napelem cellák számára. Ezen eszköz nagyteljesítményű színes LED egységek és halogén izzók kombinációján alapul. A konstrukciót az magyarázza, hogy a megfelelő színű LED egységeket alkalmazva jó spektrális egyezés érhető el 400 nm 700 nm hullámhossz tartományon, azonban csupán LED fényforrásokat alkalmazva nem biztosítható a szükséges W/m 2 fényintenzitás érték. Ezen probléma megoldását a halogén izzók beiktatása jelenti, amelyek mindemellett jó spektrális egyezést mutatnak a napsugárzással 700 nm nm hullámhossz tartományon. A megvalósított napszimulátor által produkált fényintenzitás eloszlást az 1. ábra mutatja x irányú távolság [cm] y irányú távolság [cm] 1. ábra: Mért fényintenzitás eloszlás a vizsgálati tartományon A legkisebb mérhető fényintenzitás érték: Imin=868 W/m 2, míg a legnagyobb Imin=1.060 W/m 2. A mért fényintenzitás értékek számtani közepe 951 W/m 2 -re adódik, a minta módusza és mediánja is 950 W/m 2 értékű. A szabvány által megadott 1. egyenlet alapján számított fényintenzitás eloszlás homogenitás (TEgy) értéke 9,96%. T Egy = (I max I min ) (I max + I min ) 100% (1) A spektrum validálás során mért értékek alapján, a szabvány által adott (2) összefüggéssel számított spektrális egyezéseket az 1. táblázat mutatja. SE( ) = a f f a f a E E NSz AM1,5 ( ) d ( ) d, (2) 119

120 Hőmérséklet [ C] Napelem jelleggörbék vizsgálata eltérő hőmérséklet- és fényintenzitás viszonyok mellett ahol: - SE (λa-λf) spektrumeltérés az adott hullámhossz-tartományra [-]; - λa hullámhossz-tartomány alsó határa [nm]; - λf hullámhossz-tartomány felső határa [nm]; - ENSz napszimulátor spektrális intenzitása [W/m 2 /nm]; - EAM 1,5 napsugárzás spektrális intenzitása [W/m 2 /nm]. 1. táblázat: Spektrális egyezés a vizsgált hullámhossz-tartományokban Hullámhossz tart. [μm] 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,1 Spektrális egyezés [%] 120,9 59,0 89,3 116,8 160,6 182, Hűtőmodul A mérések során célunk a napelem cella hőmérsékletének befolyásolása, javarészt hűtése. Ezen feladat elvégzéséhez szükséges egy hűtőmodul kialakítása, amely képes a megfelelő hűtőteljesítmény biztosítására, szabályozható módon. A leírt követelményeknek a Peltier-elemek eleget tesznek, hisz ezen eszközök elektromos áram felhasználásával képesek hő elvonására. A hűtőmodul implementálása során négy darab, 60 W teljesítményű, TEC típusú Peltier-elem kerül beépítésre. Az elemek meleg oldalának hűtését egy Stonecold RAD- A6023/190 típusú, 190 mm x 190 mm x 50mm befoglaló mérettel rendelkező hűtőborda és két darab GEMBIRD D6015SM-3 OEM hűtőventilátor kombinációja biztosítja. A tápellátásért és a szabályozásért egy Optonica típusú ipari LED tápegység (360 W, 12 V, 30 A) és négy darab Optonica típusú potméteres dimmer (12 V -24 V, DC, 8A) felel. A hűtőmodul megvilágítás okozta felmelegedését mutatja a 2. ábra, három hűtési fokozat esetén Hűtés nélkül Hűtés (6V) Hűtés (12V) Idő [min] 2. ábra: A hűtőmodul hűtőfelületének felmelegedése az idő függvényében különböző hűtőteljesítmények esetén 2.3. Mérőkör és mérési folyamat A mérésekhez az ismertetett napszimulátor biztosítja a megvilágítást, a hőmérséklet szabályozását a hűtőmodul látja el. A mérések során vizsgált polikristályos napelem típusa: XINPUGUANG Mini module, adattábláját a 2. táblázat foglalja össze. 120

121 KOÓS Dániel 2. táblázat: A mérésekhez használt napelem adattábláján szereplő adatok Megnevezés Jele Érték Maximális valós teljesítmény Pmax 0,68 W Maximális Teljesítményű Pont áramerőssége Impp 0,094 A Maximális Munka Pont feszültsége Umpp 7,2 V Rövidzárási áramerősség Irz 0,115 A Üresjárási feszültség Uüj 8,4 V Rövidzárási áramerősség hőmérsékleti állandója KIrz 0,047 %/ C Üresjárási feszültség hőmérsékleti állandója KUüj -0,32 %/ C A napelem hőmérsékletének mérését egy Voltcraft PL-125-T4 típusú négycsatornás digitális hőmérővel oldjuk meg. Az áramerősség és feszültség méréseket két darab, METEIX MX 59H típusú digitális multiméter végezzük el. A 3. ábrán megfigyelhető a kialakított mérő-apparátus. 3. ábra: Napszimulátor (a); napszimulátor LED mátrixa (b); Peltier-elemes hűtőmodul (c); hőmérséklet-, áramerősség- és feszültség mérő eszközök (d); napelem cella vizsgálata (e) 121

122 I [A] Napelem jelleggörbék vizsgálata eltérő hőmérséklet- és fényintenzitás viszonyok mellett A terhelt napelem vizsgálata során célunk a napelemet jellemző feszültség-áramerősség, feszültség-teljesítmény, ellenállás-teljesítmény, ellenállás-hatékonyság karakterisztikák meghatározása. Ezen mérések elvégzését a 4. ábrán látható mérési kapcsolás teszi lehetővé. 4. ábra: A napelem vizsgálatakor alkalmazott mérőkör kapcsolási rajza A méréseket különböző fényintenzitás és hőmérséklet értékek mellett végezzük el. A napelem hőmérsékletének stabilizálása után a rövidzár és szakadás-, illetve különböző terhelések (ellenállások) mellett mérjük a napelem feszültségét és áramerősségét. A napelem teljesítményét -szokásos módon- a feszültség és áramerősség szorzataként számítjuk. Az alkalmazott terhelő-ellenállás sorozat a következő: 20 Ω, 40 Ω, 65 Ω, 85 Ω, 100 Ω, 120 Ω, 150 Ω. 3. EREDMÉNYEK A napelem karakterisztikák meghatározása különböző terhelések esetén mért áramerősség és feszültség értékek alapján történik. A méréseket három fényintenzitás és négy stabilizált hőmérséklet esetére végezzük el. Az 5. ábra az áramerősséget mutatja a feszültség függvényében az összes hőmérséklet/fényintenzitás érték esetére. 0,1 0,08 0,06 0,04 0, U [V] 1000 W/m2-78 C 1000 W/m2-68 C 1000 W/m2-58 C 1000 W/m2-47 C 800 W/m2-70 C 800 W/m2-63 C 800 W/m2-55 C 800 W/m2-43 C 600 W/m2-68 C 600 W/m2-60 C 600 W/m2-54 C 600 W/m2-40 C 5. ábra: A napelem U-I jelleggörbéi különböző fényintenzitás- és hőmérséklet értékek esetére 122

123 P [W] P [W] KOÓS Dániel Az U-I jelleggörbéket megfigyelve egyértelmű trendeket fedezhetünk fel. Egyrészt látható, hogy a hőmérséklet csökkenése az üresjárási feszültség növekedését eredményezi, illetve az áramerősség kismértékű csökkenése is észrevehető. Látható, hogy amikor előfordul közel azonos hőmérséklet különböző fényintenzitás értékek esetén akkor az üresjárási feszültségek szinte megegyeznek. Ez az üresjárási feszültség hőmérséklet függésének erős- és fényintenzitás függésének gyenge mivoltával magyarázható. Egyértelmű trendként jelenik meg, hogy az üresjárási feszültség nagymértékben függ a fényintenzitástól és ez a függés lineáris, hasonlóan az üresjárási feszültség hőmérsékletfüggéséhez. A leírt trendek jó egyezést mutatnak a szakirodalom által leírt viselkedéssel [4]. A másik fontos információkat hordozó napelem jelleggörbe a teljesítmény-feszültség grafikon. A teljesítményt a feszültség és az áramerősség szorzataként számíthatjuk. A 6. ábra, a 7. ábra és a 8. ábra a teljesítmény alakulását mutatja a feszültség függvényében, W/m 2, 800 W/m 2, 600 W/m 2 fényintenzitás esetére. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, U [V] 1000 W/m2-78 C 1000 W/m2-68 C 1000 W/m2-58 C 1000 W/m2-47 C 6. ábra: U-P jelleggörbék W/m 2 fényintenzitás esetén különböző hőmérsékleteken 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, U [V] 800 W/m2-70 C 800 W/m2-63 C 800 W/m2-55 C 800 W/m2-43 C 7. ábra: U-P jelleggörbék 800 W/m 2 fényintenzitás esetén különböző hőmérsékleteken 123

124 P [W] P [W] Napelem jelleggörbék vizsgálata eltérő hőmérséklet- és fényintenzitás viszonyok mellett 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, U [V] 600 W/m2-68 C 600 W/m2-60 C 600 W/m2-54 C 600 W/m2-40 C 8. ábra: U-P jelleggörbék 600 W/m 2 fényintenzitás esetén különböző hőmérsékleteken A feszültség-teljesítmény ábrákat megfigyelve ugyancsak észrevehető a hőmérséklet és a fényintenzitás maximális teljesítményre gyakorolt hatása. A hőmérséklet növekedésével csökken a napelem maximális teljesítménye (belső ellenállással megegyező terhelés), amelyet a feszültség nagymértékű csökkenése és az áramerősség kismértékű növekedése okoz, amelyek szorzata így csökken. A fényintenzitás csökkenésével -a várható módon- csökken a napelem által maximálisan biztosítható teljesítmény. A leírt hőmérséklet és fényintenzitás függések is lineáris viselkedést mutatnak. Fontos információkat ad a napelem működési jellemzőiről a teljesítmény ábrázolása a terhelő ellenállás függvényében. A 9. ábra a vizsgált hőmérséklet- és fényintenzitás értékek esetére mutatja az R-P görbéket. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, R [Ω] 1000 W/m2-78 C 1000 W/m2-68 C 1000 W/m2-58 C 1000 W/m2-47 C 800 W/m2-70 C 800 W/m2-63 C 800 W/m2-55 C 800 W/m2-43 C 600 W/m2-68 C 600 W/m2-60 C 600 W/m2-54 C 600 W/m2-40 C 9. ábra: Terhelő ellenállás - teljesítmény görbék a vizsgált hőmérséklet- és fényintenzitás értékek esetén 124

125 η [%] KOÓS Dániel A 9. ábrán megfigyelhető a kapcsolat a hőmérséklet és a fényintenzitás változása, illetve a napelem Maximum Teljesítmény Pontjához (MPP) tartozó optimális terhelés értéke között. Látható, hogy a csökkenő fényintenzitás az optimális terhelés értékét növeli. A hőmérséklet növelése pedig az ideális terhelés értékét kismértékben csökkenti. Ez a hatás 600 W/m 2 fényintenzitás esetén már csak elhanyagolható mértékben jelentkezik. A 10. ábrán a (3) összefüggés alapján számítható hatásfok változása látható a terhelő ellenállás függvényében a különböző hőmérséklet- és fényintenzitás esetekre. η = P EA, (3) ahol: - η a napelem hatásfoka [%]; - P a napelem teljesítménye [%]; - E a napelemre jutó fény intenzitása [W/m 2 ]; - A a napelem hasznos felületének mérete [m 2 ]. 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% R [Ω] 1000 W/m2-78 C 1000 W/m2-68 C 1000 W/m2-58 C 1000 W/m2-47 C 800 W/m2-70 C 800 W/m2-63 C 800 W/m2-55 C 800 W/m2-43 C 600 W/m2-68 C 600 W/m2-60 C 600 W/m2-54 C 600 W/m2-40 C 9. ábra: Terhelő ellenállás - hatásfok görbék a vizsgált hőmérséklet- és fényintenzitás értékek esetén A napelem hőmérsékleti állandói információt adnak a napelem rövidzárási áramerősségének és üresjárási feszültségének hőmérsékletfüggéséről. Ezen értékek meghatározásához a mérések során regisztrált Irz és Uüj értékeket használjuk fel. Először ábrázoljuk a vizsgált elektronikai paramétert a hőmérséklet függvényében adott fényintenzitás esetén. Ezen ponthalmazra lineáris közelítéssel egyenest fektetünk, majd meghatározzuk az egyenes meredekségét. Ezután a (4) összefüggés alapján számíthatjuk a hőmérsékleti állandó értékét [5]. 125

126 Napelem jelleggörbék vizsgálata eltérő hőmérséklet- és fényintenzitás viszonyok mellett K = x n+1 x n x n 100 T n+1 T n = 100 m x n, (4) ahol: - K fezsültség vagy áramerősség hőmérsékleti állandó [%/ C]; - x n fezsültség vagy áramerősség értéke egy tetszőleges pontban [V vagy A]; - m adott egyenes meredeksége [V/ C vagy A/ C]; - T n értéke az adott tetszőleges pontban [ C]. A 3. táblázat összefoglalja a meghatározott hőmérsékleti állandókat, továbbá megfigyelhető a gyártó által megadott hőmérsékleti állandó W/m 2 fényintenzitás esetére. 3. táblázat: A napelem mért- és a gyár által adott hőmérsékleti együtthatói Hőmérsékleti állandó Mért Adattábla Eltérés 1000 W/m 2 KIrz [%/ C] 0,057 0,047 21% KUüj [%/ C] -0,3-0,32 6% 800 W/m 2 KIrz [%/ C] 0, KUüj [%/ C] -0, W/m 2 KIrz [%/ C] 0, KUüj [%/ C] -0, A 3. táblázat alapján elmondható, hogy az üresjárási feszültség esetében a mérések alapján számított és a gyártó által megadott hőmérsékleti állandó jó egyezést mutat. A rövidzárási áramerősség esetében a két adat közötti eltérés nagyobb, ezt a napelem cella által termelt kis értékű áramerősségek pontos mérésének korlátai okozzák. Meghatározásra kerültek továbbá a hőmérsékleti állandók további fényintenzitás értékek esetére is. Látható, hogy mind a rövidzárási áramerősség, mind az üresjárási feszültség esetén a hőmérsékleti állandók értéke kismértékben változik a fényintenzitás értékének változásával. 4. ÖSSZEGZÉS ÉS KONKLÚZIÓ Összességében elmondható, hogy nagy mennyiségű adatot gyűjtöttünk a cellahőmérséklet és a fényintenzitás napelem elektronikai paramétereire gyakorolt hatásáról. A mérési eredmények jó egyezést mutatnak a szakirodalom által leírt trendekkel. A kutatás eredményei alapján levonható következtetések a következők: - a mérések helyességét és ezáltal a napszimulátor és a mérőkör megfelelősségét igazolja például a mérések alapján meghatározott üresjárási feszültség hőmérsékleti állandójának jó egyezése a gyártó által megadott értékkel; - a mérés helyességét kismértékben árnyalja az a tény, hogy a napelem által mért kismértékű áramerősség változások detektálását a multiméter mérési tartománya miatt pontosan nem tudtuk megtenni; - az előző pont alapján a jövőben pontosabb áramerősség mérés válik szükségessé; - korábbi kutatásainkhoz képest új eredmény a napelem hőmérsékleti állandóinak és az elektronikai jellemzők tranziens viselkedésének W/m 2 fényintenzitástól eltérő esetekben történő vizsgálata. 126

127 KOÓS Dániel 5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Szeretném köszönetemet kifejezni Dr. Bodnár István, Iski Patrik és Skribanek Ádám részére, akik nagyban hozzájárultak a kutatómunka és a méréssorozat sikeres kivitelezéséhez. AZ EMBERI ERŐFORRÁSOK MINISZTÉRIUMA ÚNKP-18-2-I.-ME/27. KÓDSZÁMÚ ÚJ NEMZETI KIVÁLÓSÁG PROGRAMJÁNAK TÁMOGATÁSÁVAL KÉSZÜLT 6. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] BODNÁR I.: Napelem hőmérsékletfüggésének kísérleten és szimuláción alapuló vizsgálata. Jelenkori társadalmi és gazdasági folyamatok. XII. évfolyam. 4. szám pp [2] ASTM International: E927-05, Standard Specification for Solar Simulation for Photovoltaic Testing, United States, [3] BODNÁR I.: Electric parameters determination of solar panel by numeric simulations and laboratory measurements during temperature transient. Acta Polytechnica Hungarica. Óbuda Univesity. Budapest, Hungary, Vol. 15. No pp [4] BODNÁR I.: Transient electrical characteristics of a solar cell in the case of a cooling and non-cooling solar cell. ANNALS of Faculty Engineering Huneodora- International Journal of Engineering. Vol. XV. No pp

128 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN IPAR 4.0 ALAPÚ VAGON HELYMEGHATÁROZÓ RENDSZER FEJLESZTÉSE DEVELOPMENT OF VAGON LOCALIZATION SYSTEM BASED ON INDUSTRY 4.0 L. KISS Márton 1, TROHÁK Attila 2 1 MSc diploma, tanársegéd, l.kiss.marton@uni-miskolc.hu 1 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros Informatika épület 2. em. 2 PhD, egyetemi docens, trohak.attila@uni-miskolc.hu 2 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros Informatika épület 2. em. Kivonat: A Miskolci Egyetem FIEK projektjének keretében a Borsod Chemmel konzornciumi partnerének egy vagon helymeghatározó rendszert fejlesztünk. A rendszer képes lesz meghatározni a vagonok sorrendjét egy adott vágányon, valamint folyamatosan lekövethetőek lesznek a mozgó vagonok. Cikkemben ezt a rendszert mutatom be valamint egy rövid áttekintést adok a téma irodalmát. A rendszer hardveres felépítésére csak érintőlegesen térek ki, viszont részletesen bemutatom a rendszert alkotó beágyazott rendszerek szoftverének bemutatására. Kulcsszavak: IoT, Ipar 4.0, lokalizáció, beágyazott rendszer Abstract: In the frame of the FIEK project of the University of Miskolc, we are developing a wagon localization system for the consortium partner of Borsod Chemmel. The system will be able to determine the order of the wagons on a given track and keep track of moving wagons. In my article I present this system and give a brief overview of the subject's literature. The hardware build of the system will only be tangible, but I will detail the presentation of the embedded system software. Keywords: IoT, Industry 4.0, localization, embedded system 1. BEVEZETÉS Az utóbbi években az Ipar 4.0 nagyon elterjedt kifejezés lett az iparban. A német értelmezés szerint ez egyfajta optimalizálást jelent, amellyel a gyártás igyekeznek hatékonyabbá tenni. A FIEK projekt keretein belül a Miskolci Egyetem a Borsod Chemmel közreműködve dolgozik egy Ipar 4.0-s fejlesztésen, amely egy modern vagon helymeghatározó rendszer. A Borsod Chem területén több km vasúti pálya helyezkedik el, amelyen tároló vagonok állnak. Ezekbe töltik az keletkezett anyagokat, majd szállítják tovább a megrendelőnek. A vagonok pontos helyének nyilvántartása manuálisan történik a vasúti munka napló alapján. Ez a nyilvántartó rendszer viszont pontatlan és lassú, ezért volt szükség ennek a modernizálására az Ipar 4.0 irányelveit figyelembe véve. A GPS valamint az egyéb RF kommunikációs technológiák elterjedése, segítette elő a beltéri a kültéri helymeghatározással foglalkozó [12, 14] kutatási terület megerősödését. Az utóbbi években egyre többen foglalkoztak vasúti kocsikkal, kapcsolatos helymeghatározással [10] valamint egyéb mérésekkel. Egy komolyabb vasúti kocsi helymeghatározó rendszert találtam, amelyről született tudományos publikáció, ez pedig a RailSLAM [6-9]. Ez a rendszer hasonlóan a mi az általunk fejlesztendő rendszerhez IMU-n, [13] (Inertial Measurement Unit) valamint GPS [5] szenzoron alapszik, amelyet esetében kibővített Kálmán-szűrő (EFK Extended Kalman-filter) segítségével pontosítja a mozdony helyzetét ha esetleg a GPS adat kapcsolat akadozna. Léteznek olyan rendszerek is ahol számos szenzorból álló infrastruktúrát építenek ki a sínek mentén. Ezen szenzorok adataiból tudnak 128

129 L. KISS Márton, TROHÁK Attila következtetni a szerelvény hosszára, tömegére, valamint sebességére [1-3, 11]. Ezen rendszerek mindegyike a vasúti személyszállításra használt sínpályákon közlekedő vonatokra épít, nem találtam olyan publikációt az irodalom áttekintésé során amely tároló vágányokon álló vasúti szerelvények helymeghatározásával foglalkozott volna. Azonban a fent bemutatott irodalom jó alapot fog adni a kutatásomhoz. A fent hivatkozott rendszerek esetében kevésbé vagy egyáltalán nem számított a villamos energia fogyasztása az eszközöknek, valamint a konzorciumi partner (Borsod Chem) elvárása, hogy egy adott tároló vágányon meg tudjuk határozni a vagonok sorrendjét, tehát nem kell pontos koordináta meghatározás. Minden vagonon található egy információs tábla, amelyen olvasható ez egyedi azonosítója a vagonnak. Erre a táblára erősíthetünk egy eszközt, amely képes a vagon pozíciójának meghatározására. A vagonok télen, nyáron kint vannak így -20 C 70 C hőmérsékelt tartományba működnie kell az eszköznek, ugyanis nyáron a sötét színű vagonok nagyon felhevülhetnek és akár 70 C-ot is elérheti a felületi hőmérsékletük. További elvárás, hogy az eszközt ne kelljen tölteni amíg a telep területén tartózkodik a vagon, amely akár 6-8 hónap is lehet. A fent említett peremfeltételek mellett nem volt egyszerű feladat kitalálni az eszköz felépítését de végül úgy döntöttünk, hogy egy önszerveződő szenzor rendszeren alapuló relatív pozíció meghatározására képes eszközt fejlesztünk. A rendszer működését a következő blokkdiagramm szemlélteti. 1. ábra: Vagon helymeghatározó rendszer működése A fenti ábrán két eszköz is látható. Az egyik a fejegység a másik pedig a tag. A fejegység a mozdonyban helyezkedik el melynek feladata, hogy meghatározza a mozdony pontos helyzetét, valamint feltérképezze a mozdony által mozgatott vagonokat és továbbítsa a partner online szervere felé. Minden vagonon el fogunk helyezni egy eszközt (taget) amelynek az lesz a feladat, hogy feltérképezze a mozgó vagonokat, valamint eltárolja a vagon állapotát. Az összes eszköz mesh hálózatban fog kommunikálni. Az irodalmi áttekintés során találtam olyan publikációt, ahol ZigBee-t [3] használtak a vagonok közötti kommunikációra, amely szintén mesh hálózati topológián alapszik. Az általunk fejlesztett rendszerbe a mesh kommunikációhoz a bluetooth 5.0 technológiát [15, 16] fogjunk használni, amelynek nagy előnye a többi mesh kommunikációt megvalósító technológiákával szemben, hogy alacsony energiafogyasztású, így ezzel elérhető a kívánt akkumulátor élettartam (6-8 hónap). A vagonok közötti sorrendet a mesh hálózaton kommunikáló eszközök egymás közötti kommunikációjának RSSI [17] értékéből határozza meg. A cikkemben a fejegység vezérlő algoritmusáról valamint a környezet modellezéséről fogok részletesen írni. Röviden ismertetni fogom a tesztmérések elvégzésére kifejlesztett eszközt is. 129

130 Ipar 4.0 alapú vagon helymeghatározó rendszer fejlesztése 3. FEJEGYSÉG PROTOTIPUS FELÉPÍTÉSE A végleges algoritmus kidolgozásához szükség lesz mérési adatokra a mozdony mozgásáról. Ezt egy majdnem a végleges eszközhöz hasonló felépítésű adatgyűjtővel végeztük, amelyet a következő kép szemléletet 2. ábra: Fejegység prototípus A képen két különálló szerelő doboz látható. Ezt azért van, így mert a GPS-t és az adatait feldolgozó kis mikrovezérlőt elkülönítettük, hogy ki tudjuk tenni a mozdony tetejére, így a GPS antennát nem árnyékolja le a mozdonyvezető fülkéje. A két doboz aszinkron soros kommunikáción (UART) keresztül kommunikál. A nagyobbik doboz, amely a mozdony irányítástechnikai szekrényében kapott helyet, tartalmaz egy STM32F411 discovery mikrovezérlős kártyát, amely rendelkezik integrált gyorsulás mérővel. A szerelődobozban helyet kapott továbbá egy micro SD kártya foglalt is. Az eszköz a GPS és a gyorsulásmérő által szolgáltatott adatokat a SD kártyára menti el. A gyorsulásmérőt 100Hz-el mintavételezzük a GPS pedig 1 Hz-el küld adatokat, amelyek nem minden esetben tartalmaznak pontos koordinátákat. Ezen kért szenzor fúziója azért jó, mert GPS abszolút pozíciót ad meg, gyorsulás mérővel csak a relatív pozíció kapható, így amennyiben a GPS jel kimarad meg tudjuk becsülni a vagon elmozdulását, amelyből pedig következtetni tudunk a pozícióra. Fontos megemlíteni a zajszűrés fontosságát, ugyanis a GPS-nek és a gyorsulás mérőnek is számos forrásból származó zaja van. A GPS-nek az úgynevezett spidering amelye a mért pontok szóródását eredményezi amennyiben álló helyzetben van a mozdony. A gyorsulásmérőnek vannak determinisztikus illetve sztochasztikus hibái. A determinisztikus hibák a misaligment, bias, valamint scale factor. A sztochasztikus hibái pedig a fehér zaj valamint a bias drift. Ezen hibákat a 4. fejezetben bemutatásra kerülő Kálmán-szűrővel lehet kompenzálni. 130

131 L. KISS Márton, TROHÁK Attila 4. VONAT MODEL A mozdonyok MÁV M47, amely 4 tengelyes, forgózsámolyos úgynevezett tolató mozdonyok. A következő ábra szemléleteit a mozdony valamint a vágány modelljét. 3. ábra: Mozdony és vágány model Az fenti 3. ábrán jól látszik, hogy a mozdony modellje talán kevesebb fejtörést okoz, viszont a vágány modell már egy fokkal bonyolultabb. A fenti három ábrán definiált Euler szögek φ,ψ,θ megadják a vágány lejtését (roll), a dőlését (pitch), valamint az elfordulását (yaw). Jelen alkalmazásban viszont a vágány lejtése és dőlése számunka felesleges így ezzel egyszerűsödik a model. A mozdony mozgását egy egyszerű két dimenziós Descartes féle koordináta rendszerben fogom leírni. Az [7] alkalmazásban ahol, a személyszállításra használt sínpályákon kellett elhelyezni a szerelvényeket, a GIS rendszerekben használ földhöz viszonyított polár koordináta-rendszert használták. Az általunk fejlesztett vagon helymeghatározó rendszerben viszont egy fix telephelyen kell helymeghatározást végezni így, én egy telephelyre vonatkoztatott descartes féle koordináta rendszerben fogok számolni. A vonatkoztatási rendszer középpontja a mozdonyszín lesz. További könnyebbség, hogy ebben az esetben nem kell vágány orientációját átszámítani egy másik vonatkoztatási rendszerbe. Ebben a vonatkoztatási rendszerben a mozdony pozíciója két ponttal (p x, p y ) egyértelműen meghatározható. Ezek alapján a mozdony mozgásegyenletei: v x = dp x dt = v cos ψ (1) 131

132 Ipar 4.0 alapú vagon helymeghatározó rendszer fejlesztése v y = dp y dt = v sin ψ (2) dψ dt = v b (3) dv dt = a (4) ahol: ψ a vonatkoztatási rendszer x tengelyével bezárt szög, a b a rádiusz valamint, v az érintő irányú sebesség. A továbbiakban Kálmán-szűrőt[18] fogok használni a szenzor fúzióra, amely az egyik legelterjedtebb szenzorfúziós algoritmus. Ez az algoritmus képes megbecsülni az elmozdulást az esetleges GPS kimaradások esetén. A mért értékek bizonytalanságából a legkisseb négyzetek módszere alapján végez pontosabb becsléseket. Az algoritmus a következő lineáris állapotegyenletekkel írható fel: x k = Ax k 1 + Bu k 1 + w k 1 (5) z k = Hz k + v k (6) ahol: az (5) állapotegyenlet, a (6) pedig átviteli egyenlet, x k állapotvektor, z k pedig kimeneti vektor. A transzformációs mátrixok pedig az A,B,C. A v k és w k pedig zaj korrekcióra szolgáló kovariancia vektorok. Az állapotegyenletek felírásához meg kell határoznunk az x k valamint, z k és u k vektorokat: u k = [a] (7) p x x k = z k = [ p y ] (8) v ahol: u k a gyorsulásmérő szenzor bemenete a z k pedig a GPS szenzor pozícióját tartalmazó vektor. A transzformációs mátrixok meghatározásához, írjuk fel az állapotegyenletet a következő alakban: p x f(x k 1, u k 1, 0) = [ p y ] = v p xx + v cos ψ t a cos ψ t2 p y0 + v sin ψ t a sin ψ t2 v + a t (9) A következő lépésben pedig, képezzük a f függvény x és u szerinti Jacobi mátrixait. A [i,j] = f [i] x [j] (x k 1, u k 1, 0) (10) B [i,j] = f [i] u [j] (x k 1, u k 1, 0) (11) H [i,j] = h [i] x [j] (x k, 0) (12) 132

133 L. KISS Márton, TROHÁK Attila A differenciálások elvégzése után a következő mátrixok nyerhetők: A (8) képlet alapján pedig: 1 0 cos ψ t A = [ 0 1 sin ψ t] (13) cos ψ t 2 B = [ 1 2 sin ψ t 2 ] (14) t H = [ 0 1 0] (15) A teljes állapot egyenlet (5) mátrixos alakban a (16) szemléleteit: p x 1 0 cos ψ t p 1 x 2 cos ψ t 2 x k [ p y ] = [ 0 1 sin ψ t] x k 1 [ p y ] + [ 1 v v 2 sin ψ t 2 ] u k 1 [a] + Q (16) t A w k és v k -ból felírt Q és R hibakorrekciós kovariancia mátrixok a követketőképpen írhatók fel általános alakban. Q = R = σ 2 (w k1 ) σ 2 (w k2 ) 0 [ 0 0 σ 2 (w kn )] σ 2 (v k1 ) σ 2 (v k2 ) 0 [ 0 0 σ 2 (v kn )] (17) (18) Amelyek a hibák szórásnégyzeteiből képzett diagonális mátrix. Az állapotbecslést a következő összefüggéssel végezhető az alapegyenletek ismeretében: x k+ = (A x k + B u k ) + K k (z k+1 Q x k ) (19) ahol: x k a k-adik időpillanatban megbecsült állapot a K k az úgynevezett Kálmán-féle nyereségmátrix, amelyet a következő összefüggéssel kapunk a kovariancia mátrixokból K k = A P k H T (H P k H T + R k ) 1 (20) ahol: P k a kovariancia terjedés vagy posteriori állapot becslés bizonytalansága összefüggése 133

134 Ipar 4.0 alapú vagon helymeghatározó rendszer fejlesztése ahol: I egységmátrix, P k a priori következtetés bizonytalansága. P k + = (I K k H) P k (21) P k = A P k + A T + Q k (22) A Kálmán-szűrő algoritmus alapvetően két fő részből áll. A priori becslésből ami, még nem veszi figyelembe az megelőző mérések, bizonytalanságát, csupán a szenzor adatokhoz meghatározott hiba mátrixszal korrigál. A másik fő rész posteriori becslés amely viszont a múlt eseményeit figyelembevételével alkot becslést. A következő ábra nagyon jól szemléleteit a kiterjesztett Kálmán szűrő algoritmus működését. 4. ábra: Kálmán szűrő algoritmus Ahogy a képen is látható a x k+ lesz a Kálmán-szűrő kimenete. Meghatároztam a Kálmán-szűrőhöz szükséges modell alap egyenleteket így már, valamint abból a transzformációs mátrixokat. A következő lépés az algoritmus implementációja lesz. A szűrő által adott pozíció adatból már egyértelműen meg tudom határozni, hogy melyik vágányon van a vagon. 5. TÁROLÓ VÁGÁNY TÉRKÉP MODEL Ahhoz, hogy egzakt módon meg tudjuk határozni, a mozdony melyik vágányon rakta le a vagonokat alkotnom kellett egy környezet modellt. A mozdony kötött pályán, azaz síneken tud mozogni. Ezen a kötött sín pályán mozgat a mozdony bizonyos mennyiségű vagont. Azokat a sínpályákat ahol, a vagonokat tárolják tároló vágányoknak nevezzük. Fontos megjegyezni, hogy vannak olyan tároló vágányok ahol mind a két végéről tudnak elvenni vagy betolni vagonokat. Így ez elméletben egy olyan tárolónak vektornak felel meg, amelynek minden a két végéről lehet elemeket elvenni vagy hozzáadni. Amennyiben a mozdony egy sor vagont betol egy sínre az utolsóként bekerülő vagon lesz az első a sor végén, tehát ez egy LIFO (Last In First 134

135 L. KISS Márton, TROHÁK Attila Out) tároló. Azonban, amikor a mozdony egy vágányon áttol egy vagonsort úgy viszont FIFO tárolóként működik a vágány. A továbbiakban ezt a két esetet meg kell különböztetni. A vágány elágazásokban a váltók határozzák meg a vonatok útirányát. Vannak kisebb nagyobb csomópontok, ahol ketté vagy többfelé ágazik egy vágány. A következő képen látható egy tároló vágányt reprezentáló térkép részlet. 5. ábra: Sín térkép Ezt a vágány tároló rendszert a legkönnyebben egy állapotgráffal lehet modellezni, amelyben az állapotok jelentik a vágányokat. Egyik állapotból a másik állapotba való átmentet egy vágány váltást jelent. Fontos leszögezni, hogy csak olyan állapotok között lehetséges az átjárás, ahol a mozdony egyik vágányról a másikra irányváltás nélkül képes áthaladni. A következő képen látható a 4. ábrán bemutatott tároló vágány modellje. 6. ábra: Tároló vágány állapotgráf modell A fent bemutatott modellben az állapotok tartalmaznak olyan változókat, amelyek a vágány fizikai paramétereire utalnak. A következő adatstruktúra írja le egy vágányról tárolt információkat. 135

136 Ipar 4.0 alapú vagon helymeghatározó rendszer fejlesztése T s = {T ID, LL IN, LL BR1,, LL OUT } (23) Az (23) adatstruktúra T s (track state) tartalmazza a sín azonosítóját T ID (track - identification), valamint a sínek belépési LL IN valamint kilépési pontját LL OUT amennyiben a sín nem egyen úgy köztes töréspontok LL BR1 koordinátáit is tartalmazhatja az adatstruktúra. Az sínek fix pontjainak megjelölésénél az LL kulcsszú a longitude/latitude koordinátákat jelölik, viszont ezek a mozdonyszínhez viszonyított relatív koordináták. Azét így határoztam meg az adatstuktúrát, mert így egy egyszerű lineáris interpolációval tudom képezni az összes pontot a töréspont valamint a végpontok között. y = y 0 + x x 0 x 1 x 0 (y 1 y 0 ) (23) ahol: x a bementi változó, esetünkben például lehet egy szélességi (longitude) adat. Az x 0 és x 1 az aktuális szélességi intervallum, y 0 és y 1 pedig a hosszúság intervallum. Ebben az alkalmazásban azért engedhető meg az interpoláció mert olyan kis távolságokról van szó két koordináta között, hogy a föld görbülete elhanyagolható. A GPS által megadott koordinátát nagyon nehéz lenne egzakt módon behatárolni egy bizonyos vágányra az adatok szórása miatt. Viszont amennyiben a vágány koordinátáit klaszterezve tárolom el, valószínűségi eloszlás függvények formájában, úgy használhatok Bayes-osztályozót, amely azt adja meg, hogy mely vágányon van a legnagyobb valószínűséggel a mozdony. n argmax { P(B)P(B A i )} (24) j=1 ahol: P(B) a GPS által mért adatokból előálló valószínűségi eloszlás függvény, a P(B A) pedig a B esemény Q A 1, A 2, A 3,, A n eseménytérre vonatkoztatott teljes valószínűség. Az Q eseménytér pedig a vágányok helyzetét leíró valószínűségi eloszlás függvények. A vágány helymeghatározás, elképzelésem szerint több mérési vagy becsült adat alapján egy előre meghatározott időablakban történne. 6. KONKLÚZIÓ A fent bemutatott rendszer működési elven túl egyéb adatok gyűjtését is lehetővé tenné a rendszer, például: szerelvény hossz, mozdony által megmozgatott tömeg, esetleg becsült fogyasztás. Véleményem szerint a bemutatott eljárások működőképesek lesznek az implementáció után. A jövőben a mozdonyok kinematikájának fogok utánajárni, hogy finomíthassam a Kálmán-szűrőben lévő modellt. 7. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A kutató munka az Európai Unió és a magyar állam támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társ - finanszírozásával, a GINOP projekt keretében valósult meg, a felsőoktatás és az ipar együttműködésének elősegítése céljából. 136

137 L. KISS Márton, TROHÁK Attila 8. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] EUGEN BERLIN, KRISTOF VAN LAERHOVEN: Sensor Networks for Railway Monitoring: Detecting Trains from their Distributed Vibration Footprints IEEE International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems, [2] BENEDETTO ALLOTTA, PIERLUCA D ADAMIO, DANIELE FARALLI, SUSANNA PAPINI, LUCA PUGI, An innovative method of train integrity monitoring through wireless sensor network. [3] HAIFENG, ZHANG, ET AL., An implementation of wireless sensor network for detection of runaway trains. Optoelectronics and Microelectronics Technology (AISOMT), Academic International Symposium on. IEEE, [4] ALLOTTA, BENEDETTO, ET AL., An innovative algorithm for train detection. Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), IEEE International. IEEE, [5] LU, DEBIAO, AND ECKEHARD SCHNIEDER., Performance evaluation of GNSS for train localization. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems 16.2 pp [6] HEIRICH, OLIVER, ET AL., Measurement and analysis of train motion and railway track characteristics with inertial sensors. Intelligent Transportation Systems (ITSC), 14th International IEEE Conference on. IEEE, [7] HEIRICH, OLIVER, PATRICK ROBERTSON, AND THOMAS STRANG., RailSLAM- Localization of rail vehicles and mapping of geometric railway tracks. Robotics and Automation (ICRA), IEEE International Conference on. IEEE, [8] HEIRICH, OLIVER, ET AL., Bayesian train localization method extended by 3D geometric railway track observations from inertial sensors. Information Fusion (FUSION), 15th International Conference on. IEEE, [9] HEIRICH, OLIVER, ET AL., Probabilistic localization method for trains. Intelligent Vehicles Symposium (IV), IEEE, [10] MAZL, ROMAN, AND LIBOR PREUCIL. Sensor data fusion for inertial navigation of trains in GPS-dark areas. Intelligent Vehicles Symposium, Proceedings IEEE, [11] SIEBLER, BENJAMIN, OLIVER HEIRICH, AND STEPHAN SAND. Relative train localization with magnetic field measurements. Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), IEEE/ION [12] TÓTH, ZSOLT. ILONA: indoor localization and navigation system. Journal of Location Based Services 10.4 pp [13] MADGWICK, SEBASTIAN OH, ANDREW JL HARRISON, AND RAVI VAIDYANATHAN. Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm. Rehabilitation Robotics (ICORR), IEEE [14] TAMAS, JUDIT, AND ZSOLT TOTH. Classification-based symbolic indoor positioning over the Miskolc IIS Data-set. Journal of Location Based Services 12.1 pp [15] SATAN, ADAM, AND ZSOLT TOTH. Development of Bluetooth based indoor positioning application. Future IoT Technologies (Future IoT), IEEE International Conference on. IEEE, [16] SATAN, ADAM. Bluetooth-based indoor navigation mobile system. 19th International Carpathian Control Conference (ICCC). IEEE, [17] BOGDÁNDY, BENCE. WiFi RSSI preprocessing library for Android. 19th International Carpathian Control Conference (ICCC). IEEE, [18] BOUZID, AHMED, AND JÓZSEF VÁSÁRHELYI. Implementation of Dead reckoning solution on Zynq target. Carpathian Control Conference (ICCC), 18th International. IEEE,

138 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN SZÁLLÓPOR KONCENTRÁCIÓ MÉRŐ MŰSZER PÁRATARTALOM KALIBRÁCIÓJA PARTICLE SENSOR CALIBRATION FOR HUMIDITY L. KISS Márton 1, BÁTHORY Csongor 2, TROHÁK Attila 3, PALOTÁS Árpád Bence 4 1 MSc diploma, tanársegéd, l.kiss.marton@uni-miskolc.hu 1 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros Informatika épület 2. em. 2 MSc diploma, PhD hallgató, tuzcsongor@uni-miskolc.hu 1 Miskolci Egyetem, Energia, - Minőségügyi Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros B/1 épület 4. em. 3 PhD, egyetemi docens, trohak.attila@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros Informatika épület 2. em. 4 Professzor, PhD, egyetemi tanár, arpad.palotas@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Energia, - Minőségügyi Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros B/1 épület 4. em. Kivonat: Manapság egyre többen foglalkoznak a nagyobb iparosodó városok szállópor koncentrációjának mérésével. Ez főleg az elmaradottabb országban jelent problémát, ahol az államnak nincs elég pénze támogatni a környezetvédelmi szerezeteket, amelyek a mérésekkel foglalkoznak. Ezért kezdtek elterjedni az olcsó és kis méretű szállópor koncentrációt mérők szenzorok. Cikkemben egy ilyen olcsó szenzort fogok bemutatni. Ezen szenzorokra általánosságban igaz, hogy a páratatalomra kompenzálni kell a mért értékét. Egy tudományos cikkben talált formulát fogok kipróbálni a páratartalom kompenzálásra. Kulcsszavak: szállópor, PM10, PM2.5, páratartalom, kalibráció Abstract: Today, more and more important the measurement of concentration of pollutant dust in major industrialized cities. This is especially a problem in the less developed countries where the state does not have enough money to support the environmental measurement. That's why cheap and small size dust concentration sensors are beginning to spread. In my article I will present such a cheap sensor. For these sensors it is generally true that the measured value must be compensated for the humidity level. I will try a formula for humidity calibration. Keywords: dust, PM10, PM2.5, humidity, calibration 1. BEVEZETÉS Jelen cikkem célja, hogy bemutassak egy eljárást a kültéri szállópor koncentráció mérő szenzor páratartalom kalibrációjára. A nagyfokú iparosodás, gépkocsik elterjedése, valamint a nem megfelelő minőségű tüzelőanyagok használata a nagyobb városok levegőjének elszennyeződéséhez vezetett. Ezért lett manapság egyre fontosabb a városok szálló por koncentrációjának mérése, különösképp a PM10 és PM2,5 mérése. A PM10 a 10 µm alatti részecskéknek a koncentrációját jelenti a PM2,5 pedig a 2,5 µm-tól kisebb részecskékét. Ezeket a méréseket, minden országba az illetékes környezet védelmi szervezet végzi, Magyarországon az Országos Légszennyezettségi Mérőhálózat. Ezen szervezetek költségvetését az adott állam határozza meg. A visszamaradott országokban ezeknek a szervezeteknek nem jut elég pénz arra, hogy labor minőségű mérésekre képes műszereket vegyenek. Ezért egyre jobban kezdenek 138

139 L. KISS Márton, BÁTHORY Csongor, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence elterjedni az olcsó, kis méretű szenzorok, melyeknek a pontossága ±15% körül van. Ezen szenzoroknak további hátránya, hogy a pontosságuk még a környezeti légállapottól is függ. Ezen szenzorok elterjedése egy új kutatási terület megerősödését eredményezte, amely ezen szenzorok pontosságának növelésével, valamint kalibrációjával foglalkozik. Számos cikk foglalkozik az olcsó szállópor koncentráció mérő szenzorok összehasonlításával [2, 5-7]. Ezen publikációk legtöbbje arra a megállapításra jut, hogy ezek a szenzorok alkalmasak a kültéri éles mérésekre. A következtetésekből kiderül továbbá, hogy mozgó alkalmazásokra kevésbé alkalmasak. A szenzorok mérési pontosságának meghatározásához általában egy hitelesített referencia mérőt használnak. Olvastam számos olyan publikációt, amelyek a szenzorok páratartalom kalibrációjával foglalkoznak [1, 4, 9]. Ezen publikációk egy része páratartalom kalibrációt szintén hitelesített szenzorokhoz képes végzik [1, 4], viszont van olyan is amely egzakt összefüggéseket állít [9] a szállóport alkotó részecskék páratartalom okozta megnagyobbodására. A prezentált összefüggésekkel ki lehet küszöbölni ezt a hatást. Ezt az összefüggést a továbbiakban részletesen kifejtem. Több olyan cikket, is találtam az irodalomkutatás közben, amelyek már kész megoldásokat, eszközöket mutatnak be [3, 8] és ilyen hasonló olcsó, kis méretű szenzorokra építenek. Összegezve az olvasottakat, elmondható, hogy ezen szenzorok kalibrációja releváns kutatási terület, ami manapság igen aktívan kutatott. Doktorimban szeretném az egyik tézisemet ilyen szenzorok kalibrációjára építeni. Cikkemben egy kiválasztott olcsó szenzor páratartalom kalibrációját fogom elvégezni a [9] publikációba prezentált összefüggés alapján. 2. SZENZOR BEMUTATÁSA Az általam kiválasztott szenzor a Plantower PMS7003 szenzor, amelyet a következő kép szemléltet. 1. ábra: Plantower PMS7003 A fent látható szenzor egy optikai elven működő szállópor koncentráció mérő szenzor, tartalmaz egy ventilátort is, amellyel szabályozza a szenzor belsejében a levegő áramlást. Az optikai szenzorokra általánosságban igaz, hogy nem közvetlenül a szállópor koncentrációt mérik, hanem a részecskeszám eloszlást. A szállópor koncentrációt, viszont µg/m 3 -ben adják meg. Ahhoz, hogy a részecskeszámból megkapjuk a fenti mértékegységet tudni kell a részecskék sűrűségét. Ezt az adatot viszont nagyon kevés helyen adják meg, mégis a legtöbb 139

140 Darabszám [db] Szállópor koncentráció mérő műszer páratartalom kalibrációja ventilátoros, optikai szenzor már a µg/m 3 -et adja vissza valamilyen digitális soros interfészen keresztül. A szenzor adatlapjába nincs arra utálás, hogy milyen sűrűségű szállóporra lett kalibrálva a szenzor A következő táblázatban összefoglaltam a szenzor fontos paramétereit. 1. táblázat: Plantower PMS7003 szenzor paraméterei Szenzorok Plantower Típus szám PMS7003 Méret [mm] 48*37*12 Detektálás módja Optikai Detektálható méret ~ 0.3 µm Mértékegység µg/m 3 Interfész UART Levegőáramoltatás Ventilátor menete A táblázatból többek között a szenzor mérete is kiolvasható, valamint hogy a szenzor már a 0.3 µm-es részecskéket is érzékeli. UART interfészen keresztül küldi el a vezérlő áramkör számára. Ilyen interfésszel a legtöbb mikrovezérlő rendelkezik, így nagyon egyszerű csatolni IoT alapú rendszerekhez. Ahogy az már említettem a szenzor képes elküldeni a szemcseméret eloszlást, amelyet a következő ábra szemlélet Szemcseméret eloszlás ,3 um 0,5 um 1 um 2,5 um 5 um 10 um Szemcseméret eloszlás 2352,4 704,5 112,8 10,3 1,8 1,0 2. ábra: PMS7003 szemcseméret eloszlás A fenti oszlop diagramm által szemléltetett eloszlás függvényen jól láthatók a kiemelt méretek. Az is jól látszik, hogy az alacsonyabb méretű részecskéből jóval többet érzékel, mint a 10 µg/m 3 -es részecskéből. A továbbiakban ebből az eloszlásból szeretnék számolni egy µg/m 3 értéket. Ehhez viszont szükség volt a szállópor sűrűségére. A [9] publikációba megad egy 140

141 PM10 [μg/m3] L. KISS Márton, BÁTHORY Csongor, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence értéket, amely ρ = 1,65 g/m 3. Ezen érték, valamint a következő összefüggések alapján meg tudtam határozni a koncentráció eloszlást: V i = π 6 (D i) 3 (1) M i = ρ V i (2) ahol: D i az egyes mértekhez tartozó átmérő, V i a térfogat az M i pedig a tömeg. A fenti (2. ábra) diagrammon látható szemcseméret eloszlást átszámolva a következő ábrán látható koncentráció eloszlást kapjuk. 4,500 4,000 3,500 Koncentráció eloszlás 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 0,3 um 0,5 um 1 um 2,5 um 5 um 10 um Koncentráció eloszlás 0,267 0,371 0,475 0,675 0,934 4, ábra: PMS7003 koncentráció eloszlás Érdekes, hogy majdnem fordított állású diagrammot kaptunk. Ez azzal magyarázható, hogy ugyan több 0,3 µm-os részecskát mért a méretük annyival kisebb, hogy a tömeget már a 10 µmes valamit a nagyobb méretű részecskék fogják jobban befolyásolni. A PM10 koncentrációt a következő összefüggéssel kapjuk a koncentráció eloszlásból. PM10 = n i V i ρ i (3) Ebben a fejezben röviden összefoglaltam, a szenzor jellemzőit, valamint, hogy hogyan számítható át a szemcseméret eloszlás PM10 értékké. 3. MÉRÉS A próba mérést két szenzorral Sajószentpéteren egy hitelesített OLM-es mérőállomás mellett végeztem. A mérést reggel 7:00-tól 12:00-ig tartott. Ezidő alatt minden adatot rögzítettem a szenzorról. Az adatok feldolgozását azzal kezdtem, hogy a nyers adatokból, amelyeket percenként 3-4 alkalommal mentettem órás átlagokat képezte. A mérés során nem csak a fent bemutatott két szenzort használtam, hanem egy BME280 hőmérséklet és páratartalom mérő szenzort is. 141

142 Hőmérséklet [ C] Páratartalom [%] Szállópor koncentráció mérő műszer páratartalom kalibrációja A következő ábra szemléleti a relatív páratartalom, valamint a hőmérséklet alakulását láthatjuk Hőmérséklet, Páratartalom 7:00:00 8:00:00 9:00:00 10:00:00 11:00: Hőmérséklet Páratartalom 4. ábra: BME280 hőmérséklet, páratartalom A fenti ábrán szépen látszik, hogy a relatív páratartalom csökkent, a hőmérséklet pedig nőtt a mérés alatt. A relatív páratartalom több mint 10%-ot csökkent így kijelenthető, hogy a mérés alkalmas a páratartalom kompenzálás bemutatására. A következő ábrán a szenzor által küldött adatok, valamint a szemcseméret eloszlásból számított PM10 értéket szemléletem Számított, és nyers adat 0 7:00:00 8:00:00 9:00:00 10:00:00 11:00:00 PMS1_PM10 PMS2_PM10 PSM számolt OLM_PM10 5. ábra: PMS7003 számított és nyers adatok A fenti ábrán látható egy szürke és narancssárga görbe, amelyek a szenzorok által számított adatokat szemléltetik. A két adatsor szorosan követi egymás így kijelenthető, hogy a két szenzorok ismételhetősége megfelelő. 142

143 L. KISS Márton, BÁTHORY Csongor, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence Az [9] irodalomban megadott sűrűség alapján átszámolt PM10 érték jellegre megegyezik a szenzor által számított PM10 adattal viszont alacsonyabbak az értékek. Ez valószínű azért van mert a kínai szenzorokat az ottani levegő szennyezők sűrűségére kompenzálják. Az általam használt sűrűség pedig britektől származik. Az OLM műszer adata jellegre nem egyezik a PMS szenzoréval viszont valahol a két féle szenzor adat közé esik. A PMS7003 PM10 adatán látszik egy kiugrás, amely azért lehet mert egy csapat munkás kezdett el a közelemben dolgozni amikor mértem, felkavarták a port, amely a PM10 érték növekedéséhez vezetett. 4. PÁRARTALOM KOMPENZÁLÁS A páratartalom kompenzálásra [9] irodalomban talált összefüggést a growing factort használtam, amelynek lényege, hogy meghatározza a különböző méretű részecskéknek a páratartalomtól függő méretnövekedését. A szállópor részecskék duzzadtságának változását a következő függvénnyel tudjuk leírni. 2,5 Growing factor 2 1,5 1 0, ábra: Growing factor A fenti függvényt leíró összefüggés a következő: ahol: a g(rh) a growing factor, a D pedig a részecskék átmérője g(rh) = D wet(rh) D dry (4) g(rh) = (1 + κ 1 RH 100 RH ) 3 (5) ahol: a κ egy levegő összetételtől függő konstans. A [9] cikkben a normál levegő szennyező anyagokra 0,62-t ajánl. A fenti összefüggések (4)(5) segítségével a páratartalom kompenzálást a következő összefüggés alapján végeztem. 143

144 PM10 [μg/m3] Szállópor koncentráció mérő műszer páratartalom kalibrációja D dry = (1 + κ D wet (RH) 1 RH 100 RH ) 3 (6) Párartalom kompenzálás után a következő görbét kaptam Páratartalom kompenzáció 0 7:00:00 8:00:00 9:00:00 10:00:00 11:00:00 PSM számolt PSM komp OLM_PM10 8. ábra: Kompenzált adatok A páratartalom kompenzálás után kapott görbén(narancssárga) látszik, hogy még alacsonyabb, mint a számított adatsor(kék). Ez azért van mert ezzel az összefüggéssel kiküszöböltük a páratartalom okozta duzzadást. Ahhoz, hogy a hitelesített OLM műszer adatával összehasonlíthatók legyenek az adatok 50%-os páratartalomra kellene kompenzálni mert az fixen 50%-os páratartalom mellett mér. 5. KOKLÚZIÓ A fent bemutatott formula segítségével sikerült a páratartalom által keltett részecske duzzadást kikompenzálni. A továbbiakban szeretném megvizsgálni, hogy jelen összefüggésekből kiindulva tudom-e 50%-os páratartalomra kompenzálni a szenzort. A számított és a szenzor által küldött adatok jelszint különbözőségének oka véleményem szerint a különböző helyszínre kompenzált sűrűség. Kutatásom egyik jövőbeli célja az lesz, hogy meghatározzam pontosan a Miskolci szállópor sűrűségét így tovább tudnám pontosítani a mérésem. 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP jelű Fiatalodó és Megújuló Egyetem InnovatívTudásváros a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgálóintézményi fejlesztése projekt részeként a Széchenyi 2020 keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg 144

145 L. KISS Márton, BÁTHORY Csongor, TROHÁK Attila, PALOTÁS Árpád Bence 7. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] HOJAIJI, H., KALANTARIAN, H., BUI, A. A., KING, C. E., & SARRAFZADEH, M. Temperature and humidity calibration of a low-cost wireless dust sensor for real-time monitoring. In Sensors Applications Symposium (SAS), IEEE (pp. 1-6). 2017, March [2] KHADEM, M. I., & SGÂRCIU, V. Smart sensor nodes for airborne particulate concentration detection. UPB. Sci. Bull. Ser. C, 76, [3] CAYA, M. V. C., BABILA, A. P., BAIS, A. M. M., IM, S. J. V., & MARAMBA, R. (2017, December). Air pollution and particulate matter detector using raspberry Pi with IoT based notification. In Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM), 9th International Conference on (pp. 1-4) [4] LIU, D., ZHANG, Q., JIANG, J., & CHEN, D. R. Performance calibration of low-cost and portable particular matter (PM) sensors. Journal of Aerosol Science, 112, [5] HOLSTIUS, D. M., PILLARISETTI, A., SMITH, K. R., & SETO, E. Field calibrations of a low-cost aerosol sensor at a regulatory monitoring site in California. Atmospheric Measurement Techniques, 7(4), [6] SOUSAN, S., KOEHLER, K., HALLETT, L., & PETERS, T. M. Evaluation of consumer monitors to measure particulate matter. Journal of aerosol science, 107, [7] MALIKA, M., & SARAH, D. Low cost air pollution sensors: New perspectives for the measurement of individual exposure? [8] BETANCOURT, R. M., GALVIS, B., BALACHANDRAN, S., RAMOS-BONILLA, J. P., SARMIENTO, O. L., GALLO-MURCIA, S. M., & CONTRERAS, Y. Exposure to fine particulate, black carbon, and particle number concentration in transportation microenvironments. Atmospheric environment, 157, [9] DI ANTONIO, ANDREA, ET AL. Developing a Relative Humidity Correction for Low- Cost Sensors Measuring Ambient Particulate Matter. Sensors

146 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN SZABADVEZETÉK VAGY KÁBEL A MEGOLDÁS KÖZÉPFESZÜLTSÉGŰ HÁLÓZATOKON? SOLUTION FOR MV NETWORKS: CABLE OR OVERHEAD LINE? ORLAY Imre műszaki szakértő, imre.orlay@emasz.hu ÉMÁSZ Hálózati Kft Miskolc Dózsa György u. 13., , Kivonat: A villamosenergia rendszer biztonságos működésének és optimalizálásának elengedhetetlen feltétele a vonatkozó szabványoknak való megfelelés ben három új európai szabvány jelent meg az 1 kv feletti hálózatok létesítési és földelési követelményeivel kapcsolatban. Erre a három szabványra közösen új nagyfeszültségű szabványok megnevezéssel hivatkozhatunk. Az új szabványok jelentős mértékben szigorították az eddigi létesítési előírásokat és a földelési gyakorlatot. Az új szabványok általános szempontokat adnak meg, a konkrét követelmények helyett, így a tervezőkre, üzemeltetőkre hárítják a konkrétumok meghatározását. Kulcsszavak: ellátás biztonság, hálózat optimalizálás, szabadvezeték, kábel, madárvédelem, biztonsági övezet, burkolt vezeték, univerzális kábel Abstract: For the safe operation and optimization of the electrical grid it is an indispensable condition to comply with the regulatory standards. In 2011 three new European standards were introduced regarding the establishment and grounding requirements of networks over 1 kv. We can commonly refer to these three standards as New High Voltage Standards. The new standards made the existing grid operation regulations and grounding practices significantly more restrictive. The new standards provide general aspects instead of concrete requirements, thereby shifting the responsibility of defining specifications to electrical designers and network operators. Keywords: security of supply, network optimization, cable, overhead line, bird protection, universal cable 1. BEVEZETÉS Az 1 kv-nál nagyobb feszültségű váltakozóáramú létesítményekre vonatkozóan az utóbbi években három átfogó jellegű nemzetközi (IEC ill. EN) szabvány jelent meg: (1) MSZ EN 61936: kv-nál nagyobb feszültségű váltakozóáramú energetikai létesítmények 1. rész: közös szabályok. (2) MSZ EN 50522: kv-nál nagyobb váltakozó feszültségű energetikai létesítmények földelése. (3) MSZ EN 50341: kv-nál nagyobb váltakozó feszültségű szabadvezetékek. 1. rész: Általános követelmények ben megjelent egy ún. nemzeti kiegészítés MSZE :2014 (továbbiakban NNA), amely a magyarországi sajátságokat tartalmazza. Ezek a szabványok a magyar gyakorlatban hosszú ideje alkalmazott szabványok - mint pl. a nagyfeszültségű hálózatokra vonatkozó MSZ 1610 Erősáramú berendezések, az MSZ 172/2 és 172/3 érintésvédelmi, valamint az MSZ 151 szabadvezeték létesítési szabványok - visszavonásával jártak. Az új szabványok megjelentetésének legfontosabb okai az alábbiak: - Nemzeti szabványok előírásainak egységesítése iránti igény EU-n belül, - Szigorították a megengedett érintési feszültség értékét, - A 132 kv-os és nagyobb feszültségű hálózatok zárlati áramai az utóbbi évtizedekben megnőttek, NAF/KÖF állomások lakóterületek közelében létesülnek, körül öleli a város. Nő az áramütés veszélye. - A hálózatok igénybevétele az időjárás változás miatt jelentősen megváltozott. 146

147 ORLAY Imre Az (1) és a (2) szabványok alapvetően alállomás létesítési és földelési kérdéseket szabályoznak, a (3) szabvány foglalkozik a KÖF és NAF hálózatok létesítési előírásaival és az érintési feszültség, illetve a földelés kérdésével. Az utóbbi időben tapasztalható klimatikus hatásokra a jelenlegi hálózataink nincsenek megfelelően méretezve. Ennek okai: - Egyidőben megjelenő hatások jég és szélterhelés, vagy extrém szélterhelés, - Megnövekedett hálózati kiesések, amelyek időtartama nehezen csökkenthető, - Fogyasztói kiesések, amelyeket a fogyasztók nehezen tolerálnak. A várható klimatikus hatások miatt szigorodtak a tervezési feltételek. Az előadásban és a tanulmányban a középfeszültségű hálózatok szempontjából vizsgálom meg a címben feltett kérdést. Ahhoz, hogy megfelelő választ tudjunk adni, vizsgáljuk meg milyen hatásoknak kell megfelelnünk szabadvezetékes hálózat tervezése esetén. 2. TERVEZÉST BEFOLYÁSOLÓ ELŐÍRÁSOK 2.1. Törvényi előírás A évi LXXXVI. törvény A villamos energiáról (továbbiakban VET) foglalkozik azzal mikor köteles a Hálózati engedélyes kábelhálózatot létesíteni. Ezt az önkormányzatok kezdetben úgy értelmezték, hogy jogosultak még a meglévő szabadvezeték hálózat karbantartását is megtiltani, azaz kényszeríteni az engedélyeseket a szabadvezeték hálózatok kábelbe helyezésére belterületen belül. Ez később finomult. Maga a törvény a következőket tartalmazza, 119/B. : (1) A helyi önkormányzat a működési területéhez tartozó belterületen lévő közintézményi felhasználó és a sportról szóló évi I. törvény szerinti sportlétesítmény esetében, továbbá a műemlék tulajdonosa a kulturális örökség védelméről szóló évi LXIV. törvény szerinti műemlék felújítása esetében a Vhr.- ben meghatározott feltételek szerint jogosult az elosztótól a 132 kv-nál kisebb névleges feszültségű szabadvezetékek földkábelre történő cseréjét, valamint a cserével összefüggésben a csatlakozó-, kapcsoló- és átalakító berendezések indokolt átalakítását vagy cseréjét kezdeményezze (a továbbiakban együtt kábelcsere). (2) Az elosztó az (1) bekezdés szerinti kezdeményezéseknek köteles eleget tenni. Közintézményi felhasználó és sportlétesítmény esetében az elosztó az (1) bekezdés szerinti kezdeményezések alapján - a Vhr.-ben meghatározott szempontok figyelembevételével kábelcsere ütemezési tervet készít Madárvédelem Az Európai Unió által létrehozott Natura 2000 egy olyan összefüggő európai ökológiai hálózat, amely a közösségi jelentőségű természetes élőhelytípusok, vadon élő állat- és növényfajok védelmén keresztül biztosítja a biológiai sokféleség megóvását és hozzájárul kedvező természetvédelmi helyzetük fenntartásához, illetve helyreállításához. A hálózatok létesítésénél fokozott figyelmet kell fordítani a madarak védelmére. Madárvédelmi problémák megoldására irányelveket, technológiai javaslatokat dolgoztak ki. Az ajánlás célja a KÖF hálózatok közelében élő madarak védelme mellett a folyamatos, gazdaságos, színvonalas áramszolgáltatás biztosítása. Milyen veszélyek fenyegetik a madarakat a hálózataink miatt? 147

148 Szabadvezeték vagy kábel a megoldás középfeszültségű hálózatokon? Áramütés A KÖF szabadvezeték hálózatok tartó szigetelői, az oszlopok vízszintes kereszttartói ideális beülési lehetőséget kínálnak a madaraknak, azonban gyakran előfordul, hogy a madarak szárnyukkal egyszerre érintenek két fázisvezetőt (lásd 1/a ábra) és így fáziszárlatot, ill. a lábukkal vagy szárnyukkal a földelt szerkezeti részt és a fázisvezetőt (lásd 1/b ábra), ezzel földzárlatot okoznak. A kialakuló zárlati áram a madaraknak halálos áramütést jelent. 1. ábra: Fázis-Fázis zárlat (a.) kialakulása és fázis-föld zárlat (b.) kialakulása középfeszültségű oszlopon. [Forrás Ferrer és Janes 1999.] Ütközés A vezetéksodronyoknak történő ütközés a nehéz testű, kevésbé jól manőverező madárfajokra veszélyes, így pl. a túzokra és a darura, továbbá a nagy testű gémfélékre. A problémát a vezetéksodrony rossz láthatósága okozza. A madarak áramütésének, vezetéksodronnyal való ütközésének elkerülése érdekében alkalmazható megoldások: A szabadvezetékek földkábelre történő cseréje, ill. új földkábel létesítése. Burkolt vagy szigetelt szabadvezetékek alkalmazása. Csupasz szabadvezetéki elemek burkolása. Burkolt vezetéksodronyok alkalmazása. Univerzális kábel alkalmazása. Az oszlopok fejszerkezeteinek madárvédelmi szempontú átalakítása. Az ütközés szempontjából veszélyes KÖF vezetékszakaszok vezetéksodronyainak ellátása. Madarak figyelmét felhívó madáreltérítőkkel. Kiülők létesítése. Az ajánlások nem tartalmaznak olyan megoldásokat, amelyek elriasztják a madarakat, ill. lehetetlenné teszik a madarak oszlopokon való leszállását Biztonsági övezet A 2/2013. (I. 22.) NGM rendelet - A villamosművek, valamint a termelői, magán- és közvetlen vezetékek biztonsági övezetéről - foglalkozik a biztonsági övezet kérdésével. 148

149 ORLAY Imre A biztonsági övezet terjedelme 6. : (1) Föld feletti vezeték - ideértve a vezeték tartószerkezetén (oszlopán) elhelyezett átalakító és kapcsoló berendezést is az a) pont af) alpontjában és a b) pontban foglalt eltéréssel - biztonsági övezete a vezeték névleges feszültségétől függően, a vezeték mindkét oldalán a szélső, nyugalomban lévő áramvezetőktől vízszintesen és nyomvonalukra merőlegesen mért, következő távolságokra lévő függőleges síkokig terjed: a) föld feletti szabadvezeték esetében: aa) 500 kv-ot meghaladó névleges feszültségszint felett 40 méter, ab) 300 kv felett 500 kv névleges feszültségszintig 28 méter, ac) 200 kv felett 300 kv névleges feszültségszintig 18 méter, ad) 35 kv felett 200 kv névleges feszültségszintig 13 méter, ae) 1 kv felett 35 kv névleges feszültségszintig 5 méter, de a vezeték azon szakaszán, amely a belterületre és a fokozott biztonságra vonatkozó előírásainak megtartásával létesült, 2,5 méter, (megjegyzés: az egyszerűség érdekében külterületen az oszloptól mért 7-7 m!) af) legfeljebb 1 kv névleges feszültségszintig 1 méter, a vezeték tartószerkezetén (oszlopán) elhelyezett átalakító és kapcsoló berendezés esetében 2,5 méter, b) föld feletti szigetelt vezeték és univerzális kábel esetében 0,5 méter, a szigetelt vezeték és univerzális kábel tartószerkezetén (oszlopán) elhelyezett átalakító és kapcsoló berendezés esetében 2,5 méter, c) föld feletti burkolt vezeték esetében legfeljebb 25 kv névleges feszültségszintig 2,5 méter és 1,25 méter a vezeték azon szakaszán, amely a belterületre és a fokozott biztonságra vagy a különleges biztonságra vonatkozó előírásoknak megtartásával létesült, d) föld feletti vezeték végpontján a biztonsági övezet a végponttól vízszintesen minden irányban mért, a feszültségszinttől függően az a), b) és c) pontban meghatározott távolságokra lévő függőleges síkokig is kiterjed. (2) Földben elhelyezett vezeték biztonsági övezete mindkét oldalon a vezeték névleges feszültségétől függően a) 35 kv-nál nem nagyobb névleges feszültség esetében 1 méter, b) 35 kv-nál nagyobb névleges feszültség esetében 1,5 méter, a vezeték szélső pontjától vízszintesen és nyomvonalára merőlegesen mért távolságokra lévő függőleges síkokig terjed. (3) Földben elhelyezett vezeték biztonsági övezete mechanikus védelmet biztosító védőszerkezetben (védőcsőben, kábelcsatornában) elhelyezve a védőszerkezet szélétől mért 0,2 méterig terjed. Több védőszerkezet esetében a távolságot a szélső szerkezettől kell megtartani Középfeszültségű vezetékek építése az új szabványoknak megfelelően Annak ellenére, hogy az egyszerű tartóoszlop-típusok teszik ki az oszlopok zömét, egy-egy légvezeték-szakaszon, bizonyítottan a ritkább speciális oszloptípusok (feszítő oszlop, kapcsoló készülék, vagy oszloptranszformátor állomás) jelentik a nagyobb veszélyt a madarakra. Általában azt lehet mondani, hogy minél több szigeteletlen vezetékrész van szabadon az oszlop csúcs részén, annál veszélyesebb az oszlop. Magyarországon középfeszültségen szinte kizárólag álló szigetelővel szerelt fejszerkezetek vannak használatban, ami azt jelenti, hogy a vezetékek a kereszttartók síkja felett futnak, amely madárvédelmi szempontból egyértelműen kedvezőtlenebb a függő szigetelőknél. Az új szabványok megjelenése miatt a korábbi VÁT típustervek nem adnak támogatást a tervezéshez. Új VÁT típustervek kidolgozása szükséges. Ezért vizsgálatot végeztettünk, hogy milyen segítséget tudunk adni a tervezőknek az átmeneti időszakban. 149

150 Szabadvezeték vagy kábel a megoldás középfeszültségű hálózatokon? A vizsgálat legfontosabb megállapítása, hogy állószigetelős fejszerkezettel - 95 mm 2 vezető keresztmetszet mellett B12-4 kn-os oszlopokkal - 45 m-es oszlopköz engedhető meg. Ez azt jelenti, hogy jelentősen nőnek a költségek és az élőmunkaerő szükséglet is, hiszen az eddig km-ként létesített 8 10 oszlop helyett oszlopot kellene terveznünk. Ez a növekedés jelentős létszám többlet igényt is jelentene mind a létesítés, mind az üzemeltetésben a földelési ellenállások mérése, javítása vagy a hálózatok állapotfelmérése során. A problémát az egyenlőtlen jégterhelés okozza, hiszen az állószigetelőn az egyenlőtlen terhelés hajlító igénybevételként jelenik meg. A hazai hálózatépítés során a legkedvezőbb kialakítástól a legveszélyesebb irányában haladva a következő megoldások sorolhatók: földkábel (mind madárvédelmi, mind üzembiztonsági szempontból legkedvezőbb, de létesítés szempontjából a legdrágább megoldás), univerzális kábel (egyaránt alkalmazható földkábelként és szabadvezetékként is, típusoszlopokra is felszerelhető, az alkalmazott speciális szerelvények biztosítják az üzembiztonságot, az életvédelmet), teljes hosszban burkolt vezetősodronyok (lényeges szempont a vonatkozó technológia hiánytalan, teljes körű alkalmazása, jelentős üzemzavarok forrása lehet pl. a burkolat megsértésével megépített szakasz. Előnye, hogy jelentősen csökkenthető a fázistávolság), szabadvezetékes hálózatok a legnagyobb termetű madárra méretezett oszlop fejszerkezetek (hazánkban rétisasra számolva mm-es fázis-fázis és mmes fázis-földpotenciál távolság kialakítása - ezek hatalmas méretű, és tartószerkezetigényű oszlopfejek lennének). A szabadvezetékekre, beleértve a részegységeire és a szerkezeti elemeire előírt megbízhatósági szintet az MSZ EN szabvány szerinti tervezéssel lehet biztosítani. A szabadvezeték méretezése üzemi élettartama, hacsak a tervezési előírások másképpen nem határozzák meg, általában 50 év. A szabadvezeték hálózatok létesítését nehezítik az új szabványok. Az új szabványoknak való megfelelés mintegy 15 20%-kal növeli a költségeket. További költségnövelő, hogy a betonoszlopok ára is mintegy 20%-kal növekedett. A hálózatok építésének jelentős az élőmunkaerő igénye. Ezt tovább fokozta, hogy az új szabványoknak való megfelelés jelentősen csökkentette a megengedett oszlopközök méretét, növelve a kilométerenként beépítendő oszlopok számát. Az utóbbi időben egyre komolyabb kihívás a társadalmi elfogadottság elérése. A lakosság megítélésében jelentős tényező a hálózat látványa, az EMC zavar és a villamos térerő kérdése, félelem a rákkeltő hatástól. Ezek után nézzük meg élettartam költség oldalról, hogyan néz ki a kábel, illetve szabadvezeték hálózat létesítése. Az összehasonlítást 10 km hálózat hosszra végezzük el. Az élettartam költség meghatározásához mind a szabadvezeték, mind a kábelhálózat várható élettartamát 50 évben határozzuk meg. 3. SZABADVEZETÉK HÁLÓZAT A szabadvezeték hálózatok üzemét erőteljesen befolyásolják a légköri hatások, az utóbbi időben egyre gyakoribb viharok, villámcsapások, a viharok hatására jelentkező fakidőlések, a téli időben jelentkező zúzmarásodás, sőt az elmúlt időben egyre gyakoribb forgószelek. 100 km-ként átlagosan 8 10 üzemzavarral számolhatunk évente és egy egy üzemzavar átlagos elhárítási ideje 3 4 óra. Így 10 km-re vetítve a vezeték élettartama alatt (50 év) 40 üzemzavart számíthatunk. 150

151 ORLAY Imre Szabadvezetékes hálózatok üzemeltetési költségeinél jelentős költség a gallyazás, nyiladéktisztítás. Ezt a tevékenységet a hálózatot körülvevő fák fajtájától függően különböző gyakorisággal kell végezni. A ciklusidő 2 3 év. Az üzemzavarok jelentős hányadát teszik ki a farádőlésből származó vezetékszakadások. Szabadvezetékes hálózatok üzemeltetési költségeinél jelentős költség a vezetékek éves ellenőrző bejárása, illetve a hatévente szükséges állapotfelvétel. Az ellenőrző bejárások tervezésénél átlagosan 6 km/óra, az állapotfelmérést 1,5 km/óra fajlagos idővel kell számolni. Szintén jelentős költség a szabadvezetékes hálózatok oszlop földelési ellenállás mérése, javítása, Átlagosan kilométerenként 4 oszlop földelési ellenállás mérése és 2 oszlop földelési ellenállás javításával számolhatunk. A ciklusidő az MSZ 172/2 szabvány szerint 6 év volt, az új szabvány 12 éves ciklusidőt enged meg. További költséget jelent a hálózatokkal kapcsolatos feszültségmentesítés igénye karbantartás, vagy más idegen igény érdekében. Átlagosan 1 kikapcsolással számolhatunk évente. A hálózatok karbantartását az állapotfelmérés alapján kell tervezni. és a karbantartását ciklikusan kell végezni. Ciklusidőt átlagosan 6 évvel vehetjük figyelembe, kapcsolódva az állapotfelmérés üteméhez. Ha a fentieket figyelembe vesszük, akkor 10 km KÖF szabadvezetékes hálózat létesítési és üzemeltetési költségeit az alábbiakkal vehetjük figyelembe. MSZ EN szabványnak megfelelő hálózat esetében: 10 km szabadvezeték hálózat létesítési költsége km-re jutó nyiladéktisztítás, gallyazás költsége km földelési ellenállás mérés költsége km földelési ellenállás javítás költsége km-re jutó üzemzavar elhárítás költség km hálózat ellenőrző bejárás költsége km hálózat állapotfelmérő bejárás költsége km-re jutó feszültségmentesítés költsége Ezek alapján 10 km KÖF szabadvezetékes hálózat költsége 50 évre számolva: Ft. 4. KÁBEL HÁLÓZAT Kábelhálózat létesítésénél az élőmunkaerő igény a kábelárok kialakításánál jelentkezik. Az élőmunka igény függ a talaj minőségétől. Egyes területeken ez a munka gépesíthető. Ma már léteznek olyan kábelfektető gépek, ahol a földmunkát és a fektetést egy gép végzi. Ezzel az élőmunkaerő igény jelentős mértékben csökkenthető. A kábelhálózatok társadalmi elfogadottsága sokkal kedvezőbb, mint a szabadvezetékes hálózaté. Kábeles hálózatok létesítésénél is a gondot a biztonsági övezet biztosítása okozza. Ezek között a meglévő közművektől való távolság tartása okozza a legtöbb gondot városi környezetben. Kábelesítés előnyei között említhetjük az időjárási anomáliáktól való viszonylagos függetlenséget. Nincs szükség az éves ellenőrző és a hatévente ismétlődő állapotfelmérésre, hiszen a kábel nem látható. Ugyan akkor 6 évente szükséges szigetelés ellenállásmérés, illetve 25 évente kábeldiagnosztika (OWTS mérés). Az időjárástól való viszonylagos függetlenség kedvező az üzemzavarok szempontjából. Az üzemzavarok okai között gyakori ok a kábelsértés, különösen belterületen belül. 151

152 Szabadvezeték vagy kábel a megoldás középfeszültségű hálózatokon? Kábelhálózatok esetén is az éves üzemzavari gyakoriság 6 7, átlagos elhárítási idő 1, illetve a javítás ideje 6 8 óra. Így 10 km kábelhálózatra 50 évre 30 db. üzemzavarral számolhatunk. Kábelhálózatok esetében nincs szükség nyiladék és gallyazási munkákra. További költséget jelent a hálózatokkal kapcsolatos feszültségmentesítés igénye karbantartás, vagy más idegen igény érdekében, bár kábelhálózatok esetében a karbantartás igénye viszonylag alacsony. Ha a fentieket figyelembe vesszük, akkor 10 km KÖF kábelhálózat létesítési és üzemeltetési költségeit az alábbiakkal vehetjük figyelembe. Kábelesítés esetében a vidéki és külterületi kábelesítést vizsgáltuk. Városi környezetben a burkolat bontások miatt a kábelesítés költsége magasabb, azonban a törvényi előírások miatt ott kényszer pályán vagyunk. Vidéki, külterületi kábelesítés esetén: 10 km kábelhálózat létesítési költsége km szigetelés ellenállásmérés km OWTS kábeldiagnosztika költsége km-re jutó üzemzavar elhárítás költsége km-re jutó feszültségmentesítés költsége Ezek alapján 10 km KÖF kábelhálózat költsége 60 évre számolva: Ft. 5. ÖSSZEFOGLALVA A megjelent három szabvány, jelentős hatással van a hálózatok tervezésére, létesítésére és üzemeltetésére. A hatások egyrészt költségnövekedés, másrészt élőmunka szükséglet növekedése. Ezért fontos kérdés lesz annak vizsgálata, milyen technológiai, automatizálási megoldásokkal tudjuk ellensúlyozni a növekedést. Sajnálatos tény, hogy a klimatikus hatások jelentős mértékben hatnak a szabadvezetékes hálózatokra a vezeték típusától függően különböző mértékben. Ezen sajnos a rekonstrukció sem segít, hiszen egy fa rádőlés a hálózatra sok esetben az új hálózatokat is súlyosan rongálja (oszlopdőlés, vagy törés, vezeték szakadás). Ezért merül fel a kérdés, hogy milyen módon tudjuk ezt ellensúlyozni. Ennek egyik lehetséges megoldása a kábelesítés, amely bár alaphelyzetben drágább műszaki megoldásnak tűnt, azonban, ha figyelembe veszünk minden tényezőt és élettartamra méretezünk, akkor a két létesítés élettartam költsége már összemérhető. Általánosságban azt mondhatjuk ki, hogy belterületen, különösen városokban mind a KIF, mind a KÖF hálózatok esetében is a jövő a kábelhálózaté mind üzembiztonság, mind társadalmi elfogadottság szempontjából. Egyéb területeken, összehasonlítva a szabadvezeték, kábel élettartam költséget azt kell megállapítanunk, hogy a korábbi MSZ 151 szabvány szerinti létesítésnél a városi KÖF kábelhálózat költsége közel 30%-os élettartam költségnövekedést jelentett a szabadvezetékhez képest. Ez a költség azonban az új MSZ EN szabvány szerinti szabadvezetéki hálózat létesítésnél és a kábelhálózatnál vidéki fajlagos létesítési költségekkel számolva már nem jelentkezik, azaz a két élettartam költség azonos. Kábelhálózatnál a technológia betartása esetén a várható élettartam hosszabb lehet, mint a szabadvezetéknél. Különösen érdekes ez a kérdés, ha olyan területen kerül sor kábelesítésre, ahol az üzemzavari gyakoriság 100 km-re vetítve nem 8 10 db/100 km. Ilyen lehet pl. a Bükki, Mátrai terület, ahol az évente többször is előforduló üzemzavarok - gyakori farádőlések miatt, 5 6 évente üzemzavar helyreállítás címen szinte újra építjük a hálózatot. Itt élettartamra vetítve a szabadvezetéki hálózat költsége akár többszöröse is lehet a kábelhálózaténak. Ezért újra kell értelmeznünk az eddigi hálózat fejlesztési stratégiánkat. 152

153 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN OKOSOTTHON BESZÉD INTERFÉSZÉNEK FEJLESZTÉSE DEVELOPMENT OF SPEECH-BASED INTERFACE FOR SMART HOME SYSTEMS PINTÉR Judit Mária 1, L. KISS Márton 2 1 PhD, adjunktus, pinterjm@uni-miskolc.hu 1 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros 2 tanársegéd, autkiss@uni-miskolc.hu 2 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros Kivonat: A Miskolci Egyetem hallgatóiból és oktatóiból álló csapata részt vesz a 2019-es Solar Decathlon Europe nemzetközi innovációs házépítő versenyen. A SOMEshine elnevezésű projektünk alapkoncepciója, hogy a tipikus Magyarországon elterjedt kockaházaknak egy felújítási módját fogjuk megvalósítani. A publikációnkban a tervezett ház irányító rendszere kerül bemutatásra. Mivel a legkényelmesebb módja az emberi kommunikációnak a beszéd, így a tervezett rendszerünk magába foglal majd egy beszéd alapú interfészt is, ami lehetővé teszi a beszédalapú kétirányú kommunikációt. Kulcsszavak: passzív ház, beszédfelismerés, IoT, beszéd alapú interfész Abstract: In 2019, a team of students and teachers from University of Miskolc is taking part in the Solar Decathlon Europe Contest. The basic idea of our Project, SOMEshine, is to recondition the typical, standardized type of housing in Hungary, the so called Hungarian cube. In the article the plan for the Smart House System of project HoME is going to be presented. The most comfortable way of human communication is speech, which is a possible channel for human-machine interface as well, therefore we are developing a Speech-Based Interface for this Smart System. The interface will not only process verbal commands but also will provide two-way communication. Keywords: passive house, speech recognition, IoT, speech communication interface. 1. BEVEZETÉS A beszéd az emberek közötti legtermészetesebb és leggyorsabb magas szintű kommunikációs forma. Az ember régi vágya, hogy az általa konstruált gépekkel, berendezésekkel emberi nyelven, a beszéd eszközével tudjon hatékonyan és megbízhatóan kommunikálni, hasonló tempóban, mintha két ember beszélgetne egymással. A beszéd alapú kommunikáció bizonyos esetekben egyéb előnyökkel is jár. A beszéd nem más, mint akusztikus hullámok keltése, azaz beszédhangok, fonémák (hangok olyan elemi, elvont egysége, amely szavakat különböztet meg egymástól, önálló jelentéssel nem rendelkezik) kibocsátása. A beszéd nem csupán fonémák sorozata, hanem fontos a hangsúlyozás a hanglejtés és számos más szupraszegmentális jellemző is. Ezek alapján egyértelmű, hogy a beszéd az emberek legfőbb kommunikációs eszköze, amiért az akusztikus beszédfelismerést igen sok területen és különböző céloknak megfelelően alkalmazzák. A beszédfelismerés meglehetősen tág témakör. Szűkebb értelemben a tartalom felismerését értjük alatta, tágabb értelemben azonban alkalmazások egész sora használ egészében vagy komponenseként beszédfelismerőt. Navigációs feladatok megkönnyítésének és hatékonyabbá tételének egyik lehetősége a szóbeli utasításokkal való vezérlés. Bizonyos funkciók előhívása, vagy több ugyanazokból a lépésekből álló utasítások, folyamatok végrehajtása kiváltható lenne egészen rövid kifejezéseket tartalmazó szóbeli paranccsal. 153

154 PINTÉR Judit Mária, L. KISS Márton A fent felsorolt előnyökön túlmenően a rendszer nem csak hangalapú parancsokat dolgoz fel, hanem hangalapon információt is szolgáltat, és nem csak egy kijelzőn keresztül kapunk visszajelzést. Így a rendszerben egy beszédalapú interfész implementálásával két irányú beszéd alapú kommunikációt tudunk megvalósítani. Ezáltal a kommunikáció nem csak gyorsabbá válik, hanem könnyedséget jelent a látássérültek vagy fogyatékkal élők számára is. 2. SOLAR DECATHLON EUROPE A Solar Decathlon Europe kezdeményezés egy nemzetközi, egyetemek közötti innovációs házépítő verseny, ami 2002 óta kerül megrendezésre az USA Energetikai Minisztériuma és a spanyol kormányzat szervezésében. A verseny fő célkitűzése a napenergia, a megújuló energiák és az innovatív alkalmazásokkal összefüggő építészeti megoldások népszerűsítése, illetve a zöldtechnológiák társadalmi, piaci támogatottságának megteremtése. A nemzetközi eseményt eddig több mint tíz alkalommal rendezték meg világszerte, és minden esetben nagyszámú százezres nézőközönséget vonzott az építésügyi szakma és a lakosság köréből egyaránt. A verseny során minden részt vevő csapatnak piaci szereplőkkel együttműködve egy kizárólag napenergiát hasznosító, energiahatékony, környezettudatos, könnyűszerkezetes lakóépületet kell megterveznie és felépítenie [1]. A versenyt kiíró Energy Endeavour Foundation és a szervezésben társult partnerek szeptember 19-én egyeztettek a magyarországi verseny 2019-es rendezéséről, valamint aláírták a Solar Decathlon Europe 2019 közös nyilatkozatát, memorandumát. A Solar Decathlon Europe célkitűzései összhangban vannak az Európai Unió 2030-ra vonatkozó célkitűzéseivel, és bizonyították, hogy hatékonyan tudják tájékoztatni a diákokat, szakembereket és a nagyközönséget az energiamegtakarítás fontosságáról. Ez a leginkább azonnali és költséghatékony módja a fenntarthatóság európai energiaügyi kihívásainak kezelésében, az ellátási források és a versenyképesség biztosításában. Az SDE résztvevő házai olyan megoldásokat fognak bemutatni, amelyek hozzájárulnak az EU 2030-ra vonatkozó átlagos célkitűzéseinek eléréséhez: az elsődleges energiafogyasztás 25% -át megtakarítva, csökkentve az üvegházhatású gázok kibocsátásának 40% -át és a megújuló energiaforrások 27% -át [2, 3]. A 2019-es versenyre több kategóriában lehetett nevezni. Csapatunk a Magyarországon elterjed ún. kocka házak renovációját és korszerűsítését tűzte ki célul A verseny feladatai Az SDE19 verseny 10 kihívásból tevődik össze, melyek a következők: - Építészet (Architecture) - Mérnöki tervezés és kivitelezés (Construction and Engineering) - Energia hatékonyság (Energy Efficiency) - Kommunikáció és társadalmi felelősségvállalás (Communication & Social Awareness) - Szomszédság integrációja és hatása (Neighbourhood Integration & Impact) - Innováció és életképesség (Innovation & Viability) - Körforgás és fenntarthatóság (Circularity & Sustainability); - Komfort feltételek (Comfort Conditions) - Ház funkcionalitása (House Functioning) - Elektromos energia mérleg (Energy Balance) Az innováció és életképesség a komfort feltételek és a ház funkcionalitása feladatok igazolják, hogy az intelligens rendszert számos kommunikációs interfésszel, például hangvezérléssel vagy gesztusvezérléssel kell kiegészíteni. Célunk, hogy olyan beszéd interfészt 154

155 Okosotthon beszéd interfészének fejlesztése fejlesszünk ki és implementáljunk, amelyen keresztül egyszerű beszélgetést folytathat a felhasználó a rendszerrel. Például lekérdezheti a napi hőmérsékleti és időjárási adatokat, vagy megkérheti a rendszert, hogy kapcsolja be a légkondicionálót, vagy zárja be a garázsajtót. Annak érdekében, hogy a kommunikáció kétirányú legyen, a felületnek tartalmaznia kell egy beszédszintetizátort. A beszédszintetizátor képes dekódolni az írott szövegeket, hogy a rendszer által szolgáltatott adatokat "hangüzenetben" továbbíthassák a felhasználónak SOMEshine projekt Az urbanizáció hatására mai életterünk jóval elszigeteltebb, mint fél évszázaddal ezelőtt. Projektünk során újra kívánjuk értelmezi a ház- és környezete kapcsolatát, különös figyelemmel a természeti erők, fizikai jelenségek hasznosítására. Hazánkban a Nyugat Európai országokhoz képest még kevésbé ismert, elterjedt az öko építészet, illetve a megújuló energiák hasznosítása. Tervünkkel szeretnénk népszerűsíteni a környezetbarát életformát, mely minden élethelyzetbe átörökíthető, így például az egyik legproblémásabb, előző rendszerből megmaradt kocka - házak rekonstruálására is. Koncepcióinkban a ház és a rendelkezésre álló terület egymásra épülő egységet képeznek, az épített és a természetes környezet elválaszthatatlanok egymástól. Tervünkben a gépészeti technológiákat ökologikus szemlélettel ötvözzük: természetes módszerekkel és innovatív fejlesztésekkel növeljük az épület energiahatékonyságát. A projekt remek lehetőség arra is, hogy bővítsük az ipari együttműködéseinket, hiszen a megmaradt házat kutatási célokra fogjuk felhasználni Szentendrén. 3. A BESZÉDFELISMERŐ MODUL Az egyik lehetőség, hogy a ház intelligens rendszere könnyebbé és hatékonyabbá váljon, ha hangvezérlést alkalmazunk. A vezérlés során használt kifejezéseknek természetesen egyértelműnek kell lenniük, azaz tartalmazniuk kell például egy rögzített kifejezést, amivel,,jelezzük a rendszer felé, hogy egy utasítást fogunk közölni, nem pedig éppen csak beszélgetünk valaki mással. A,,nyitó kifejezést követően pedig következhet a fő utasítás, például 1 adott funkció megnyitása, vagy értékek módosítása, lekérdezése stb., vagyis adottak lesznek kulcsszavak, amikkel egyértelműsíthető lesz a parancs. Bizonyos esetekben pedig biztonsági kérdésekkel (amiket a rendszer intéz a felhasználó felé pl. biztonsági kód kérése) láthatjuk el az egyes folyamatok elindítását vagy lezárását ezzel növelve a biztonságot. Figyelembe kell venni azt is, hogy a felületet nem csak egy adott személy fogja nagy valószínűséggel használni, ezért a hangvezérlésnek ugyanolyan jó hatékonysággal kell majd működnie, minden egyes ember esetén. Ez két féle módon valósítható meg. Létrehozhatunk egy beszélőfüggetlen felismerőt, aminek minden személy esetén ugyanolyan magas hatékonysággal kell működnie, vagy minden felhasználó esetén külön tanítási folyamatot hajtunk végre és profilszerűen az adott személyhez kapcsolódó beszéd-modelleket (rejtett Markov-modellek) alkalmazunk a beszédfelismerőben és attól függően, hogy ki az aktuális felhasználó, úgy töltődik be a megfelelő konfiguráció. A beszélőfüggetlen megoldáshoz képest nagyobb biztonságot és könnyebb megvalósíthatóságot eredményez a felhasználónként történő betanítás. A munka során elsősorban beszélőfüggetlen rendszert szeretnénk létrehozni. Ehhez nagy számú tanítóanyagra van szükség. Triviálisnak tűnő elvárás, de mégis meg kell jegyeznünk, hogy a hangvezérlés lehetőségének folyamatosan adottnak kell lennie és alkalmazkodnia kell a folyamatos emberi beszédhez. 155

156 PINTÉR Judit Mária, L. KISS Márton Az igények és a kritériumok áttekintése után összegezhetjük, hogy a navigáció megvalósításához pontosan milyen beszédfelismerőre is van szükség: - kötött szótáras (kulcsszó alapú felismerés); - mintafelismerő (rejtett Markov-modellek alkalmazása); - kapcsolt szavak, kifejezések felismerésére alkalmas; - beszélőfüggetlen; - zajos környezetben alkalmazható; - parancs üzemmódú; - online üzemmódú. Az első lépés a kulcsszavak meghatározása. Meg kell határoznunk azokat a szavakat, amelyek a rendszer irányításakor előfordulhatnak. Ezekhez a szavakhoz használt nyelvtani definíciók felhasználhatók olyan összetett kifejezések meghatározására is, amelyeket a hőmérséklet beállítására, a levegőztetés megkezdésére, a világítás ellenőrzésére és adatok lekérdezésére használunk (pl. az adott napra vagy naponta elfogyasztott vízmennyiségre átlaghőmérsékletre, páratartalom vagy UV-sugárzásra is rákérdezhetünk). A következő lépés a tanításhoz és teszteléshez szükséges hanganyagok begyűjtése. Rendelkezésünkre állnak nyitott nagy mennyiségű hangadattal ellátott adatbázisok is magyar és angol nyelven egyaránt, amiket felhasználhatunk beszélőfüggetlen rendszer betanításához. A Sphinx beszédfelismerő szoftver honlapján találhatunk egy ajánlást a beszélőfüggetlen, parancsszavas, kis szótáras beszédfelismerők betanítására, miszerint elegendő 5 óra hanganyag 200 személytől hozzá. A tanító és tesztelő adatok rögzítésének javasolt hangszerkesztője a magyar ingyenes Audacity hangszerkesztő. Az ajánlott hangformátum 16 khz audio WAV formátumban (16 bites PCM). A következő lépés a modul oktatása. Beszédfelismerő modul létrehozásához olyan keretrendszerre van szükségünk, amely alkalmas ezeknek a moduloknak a kifejlesztésére. Többféle beszédfelismerést különböztetünk meg. A gyakorlatban elsősorban rejtett Markov modelleket (HMM) és mesterséges neurális hálózatokat (ANNs) használnak Rejtett Markov-modellek Az a fogalom, hogy valami Markov-tulajdonságú azt jelenti röviden, hogy adott jelenbeli állapot mellett, a rendszer jövőbeni állapota nem függ a múltbeliektől. Másképpen megfogalmazva, ez azt is jelenti, hogy a jelen leírása teljesen magába foglalja az összes olyan információt, ami befolyásolhatja a jövőbeli helyzetét a folyamatnak [4]. A "rejtett Markov-modell" kifejezésben a "rejtett" jelző arra utal, hogy mi csak a modell működésének az eredményét, a kimenetet (azaz a generált szekvenciát) ismerhetjük, a modell maga és a paraméterei számunkra ismeretlenek. Így mi csak a kimenetből következtethetünk a modell felépítésére és a működését leíró paraméterekre (az átmeneti és a kibocsátási valószínűségekre) [4]. A szótár minden egyes eleméhez tanulással approximációs eljárással létre kell hozni egyegy Markov-modellt, majd a felismerés során a kiejtett (felismerendő) elemhez ki kell számítani minden modell esetén azt a valószínűséget, amilyen valószínűséggel a modell a felismerendő elemet ilyen kiejtéssel generálhatta. Ha ezek között a valószínűségek között van pontosan egy kiemelkedő, akkor a felismerés sikeres, és a kiemelkedő valószínűséghez tartozó szótári elem lesz az eredmény. (A rejtett Markov-modell érzékeny a túltanulásra.) Tehát az ilyen modellekre épülő beszédfelismerés tisztán statisztikai alapú. A HMM előnye, hogy elég egyszerűen kiterjeszthető nagyszótáras, folyamatos beszéd felismerésére, viszont ebben az esetben célszerűbb kisebb egységekből építkezni (triádokból, diádokból, hangokból). Ezek összekapcsolásából kaphatjuk meg a szavak modelljeit (az összekapcsolások általában valamilyen nyelvtani szabályrendszer alapján történnek), majd végül ezeket körbekapcsolva 156

157 Okosotthon beszéd interfészének fejlesztése egyetlen nagy modellt is kaphatunk. Az alábbi képletek a rejtett Markov-modellekkel való beszédfelismerési feladatok megoldását mutatják be. w r = argmax{p(w X)} (1) w W Vagyis azt a wr szótári elemet (szó, hang, diád stb.) keressük, amelyre az X adott akusztikai megfigyelés-sorozat valószínűsége a legnagyobb. Mivel az X megfigyelés-sorozat számunkra ismert, ezért Bayes tételét alkalmazva: P(A B) = P(B A) P(A) P(B) (2) átalakíthatjuk az (1) összefüggést és az alábbiak szerint írhatjuk fel [4]: w r = argmax{p(x w) P(w)} (3) w W Ebben az alakban a P(X) tag elhagyható a nevezőből. A P(X w) valószínűséget az akusztikai, a P(w) valószínűséget pedig a nyelvi modell határozza meg. Az akusztikai modell alapján arról informálódhatunk, hogy az adott akusztikai megfigyelés (felismerendő minta) az egyes szavakra (szótári elemekre) milyen valószínűségű, a nyelvi modell pedig az egyes szavak előfordulásának becsült valószínűségét szolgáltatja. A két legismertebb keretrendszer a HMM modellekhez kapcsolódóan: - HTK toolkit: A HMM-ek bármilyen idősorozat modellezésére használhatók, és a HTK toolkit hasonlóan általános célú, de a HTK-t elsősorban HMM alapú beszédfeldolgozó eszközök, különösen felismerők fejlesztésére használják [4]. - CMU Sphinx: Az egyik legfejlettebb beszédfelismerési algoritmus a hatékony beszédfelismeréshez. A CMU Sphinx eszközöket kifejezetten az alacsony szintű platformokra tervezték, nagy szóhasználattal, beszélőfüggetlen beszédfelismerési kódbázissal, mely nyílt forráskódú [5-7] Mesterséges neurális hálók A rejtett Markov-modellezési megoldások mellett a mesterséges neurális hálózat (ANN) szintén népszerű a beszédfeldolgozásban. A mesterséges neurális hálózatok valójában numerikus eljárások nem-lineáris elemekkel, és felhasználhatók mind szimbolikus, mind nem szimbolikus problémák megoldására is [8, 9]. A mesterséges neurális hálózatok megalkotását az idegrendszer, pontosabban az emberi agy felépítése ihlette, ám a mesterséges neurális hálózatok nem feleltethetőek meg egyértelműen az agyi idegsejtek és kapcsolati hálózatuk számítástechnikai reprezentációjának. A mesterséges neurális hálózat leginkább egy számításelméleti fogalomnak tekinthető. Gondoljunk csak a McCulloch-Pitts neuronra [10]: ez olyan neuron, amely bár nagy vonalakban hasonlít a biológiai neuronokra, de annyira absztrakt a struktúrája, hogy az valójában nem vesz figyelembe sok biológiai szempontot. A neurális hálók tehát nem foghatóak fel az emberi gondolkodás modelljeinek. Például egy neuron esetén a kimenet aktív állapota rengeteg biofizikai kisülést, impulzust jelent, azonban mesterséges neurális hálózatoknál sokszor csak egy olyan állapotnak felel meg, mint egy tranzisztor állapota vagy egy logikai változó igaz vagy hamis értéke. A mesterséges neurális hálózatok valójában az agyi neurális hálózatok struktúráját követve igyekeznek a számítástechnikában kihasználni 157

158 PINTÉR Judit Mária, L. KISS Márton azok előnyeit: a gyorsaságot, a párhuzamos feldolgozást, a robosztusságot, a zajtűrést, az alkalmazkodást újszerű környezetekhez, a hiányos, vagy hibás bementek rugalmas kezelését, valamint a kis energiaigényt. A mesterséges neurális hálózatokban, hasonlóan a biológiai hálózatokhoz, az általános felépítési egység a neuron. A mesterséges neuronok tulajdonképpen egy függvény hozzárendelést valósítanak meg. Adott n db bemenethez, egyetlen kimentet rendelnek. További paramétereik az ún. aktivációs függvény, tüzelési küszöb, valamint az egyes bementekhez rendelt súlyérték. Mesterséges neurális hálók betanítására alkalmazhatjuk a MATLAB szoftvert. A MATLAB speciális programrendszer, amelyet numerikus számítások elvégzésére fejlesztettek ki és emellett programozási nyelvnek is tekinthető. A The MathWorks által kifejlesztett programrendszer képes mátrix számítások elvégzésére, függvények és adatok ábrázolására, algoritmusok implementációjára, felhasználói interfészek kialakítására, neurális hálók betanítására és más nyelveken írt programokkal való összekapcsolást is megvalósíthatunk, beleértve a C, C ++, C #, Java, Fortran és Python programozási nyelveket [11]. 4. A BESZÉDSZINTETIZÁTOR MODUL A beszédszintézis az emberi beszéd mesterséges előállítása. Az erre a célra használt számítógépes rendszert beszédszintetizátornak nevezik, és szoftver vagy hardver termékben is megvalósítható. A text-to-speech (TTS) rendszer a normál nyelvi szöveget beszéddé alakítja; más rendszerek szimbolikus nyelvi reprezentációkat alakítanak át, mint például a fonetikus átírásokat beszéddé [12]. A statisztikai parametrikus beszédszintézis (SPSS) [13] egy olyan módszer, amely természetes hangzású szintetikus beszédet generál, és a hangkonverzió (VC) [13] a beszédszintézis egy olyan technikája, amely egy másik nyelvből konvertál, miközben megőrzi az eredeti beszéd nyelvi információit. Ahogy az elején említettük, a kétirányú kommunikációhoz beszédszintetizátor is szükséges. A modul implementálása két módon lehetséges. Az egyik módja az, hogy létrehozzunk egy olyan adatbázist, amely meghatározott kulcsszavakkal rendelkezik, majd a megadott sorrendben a kívánt válasznak megfelelő sorrendben játszódik le. Ez a megoldás olyan modult eredményezne, amely csak speciálisan használható, de megfelelő hangmintákkal, mivel számuk természetes módon korlátozott lehet. Egy másik módja egy meglévő modul használata a rendszerünkben. Számos kész modul létezik magyar és angol nyelvre egyaránt: - MULTIVOX: ingyen letölthető magyar beszédszintetizátor; - espeak: egy kompakt nyílt forráskódú szoftver beszédszintetizátor angol és egyéb nyelvekre, Linux és Windows operációs rendszerekhez; - A Tacotron 2: mesterséges neurális háló alapú, amely közvetlenül szövegből generálja a kifejezéseket; a Google által kifejlesztett [14]; - Balabolka: közvetlenül a szövegből hangfájlt képez (testreszabható hangokkal); - Panopretor Basic: egyszerű szöveg-beszéd konverzió, WAV és MP3 kimenettel. 5. A TERVEZETT RENDSZER TERVE Az 1. ábra a passzívház automatizálási rendszerének koncepcionális tervét mutatja be. Az intelligens ház vezérlését PLC-vel valósítjuk meg, ami az aktuátorokkal, a motorokkal és az érzékelőkkel a KNX szabványon keresztül kommunikál. A KNX az egyik legelterjedtebb standard szabvány az otthoni és épületfelügyelet számára. Annak érdekében, hogy a vezérlő adatokat az összes épületfelügyeleti összetevőre továbbítsák, egy olyan rendszerre van szükség, amely elhárítja az elszigetelt eszközök problémáit, biztosítva, hogy az összes komponens egy közös nyelven kommunikáljon. A szabvány az EIB kommunikációs verzióján alapul, de a BatiBUS és az EHS fizikai rétegei, konfigurációs módjai és alkalmazási tapasztalataival bővült. 158

159 Okosotthon beszéd interfészének fejlesztése A KNX az egyik legteljesebb kommunikációs protokoll, amelyet decentralizált buszrendszerként terveznek, amely mindenféle fizikai réteg alternatívát támogat, mint például a csavart érpár, rádiófrekvenciás, hálózati, IP / Ethernet és Wi-Fi [15, 16]. A PLC változók olvasására és írására a legegyszerűbb megoldás az OPC (Object linking and embedding for Process Control) szerver. Ez világszerte nyitott szabvány az irányítástechnika és az informatika területén. A Windows alkalmazások ipari vezérlő eszközökhöz kapcsolódnak kliens-szerver struktúrában. A módszer nem függ az adattípustól vagy az adatforrástól. Az OPC értéke az, hogy nyitott szabvány, ami alacsonyabb költségeket jelent a gyártók számára, és több lehetőséget kínál a felhasználók számára [17, 18]. A HMI interfész az adatok cseréjét az OPC szerverrel Etherneten keresztül vagy vezeték nélküli átjárón keresztül Wi-Fi segítségével tudja megvalósítani. Tehát a HMI (humán-gép interfész) lehet mobil eszköz (például mobil vagy tablet). A beszédalapú interfész az információt a HMI-be integrált kommunikáció irányától függően szövegformátumra vagy beszédre konvertálja. 1. ábra: Az okos ház automatizálási rendszerének koncepcionális terve 6. ÖSSZEFOGLALÁS Bemutatásra került a beszédalapú interfésszel rendelkező passzívház automatizálási rendszere. Az interfész két fő modulja beszédfelismerő modul és beszédszintetizáló modul. Számos megoldást mutattunk be ezeknek a moduloknak a megvalósításához. Az interfész használatával az intelligens rendszer alkalmas hangalapú kommunikációra, ami növeli a rendszer kényelmét és a könnyű vezérlést. Az interfész implementálásával, a látássérültek vagy a fogyatékkal élők számára is kényelmesebb a rendszer használata. 7. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP jelű Fiatalodó és Megújuló Egyetem Innovatív Tudásváros a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése projekt részeként a Széchenyi 2020 keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 159

160 PINTÉR Judit Mária, L. KISS Márton 8. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] BIRÓ, Z., MÉHES, L., PINTÉR, J. M., & TROHÁK, A. (2012, December). Experiences during the development of the voice control for a monorail. In Cognitive Infocommunications (CogInfoCom), 2012 IEEE 3rd International Conference on pp IEEE. [2] WARNER, C., FARRAR-NAGY, S., WASSMER, M., STAFFORD, B., KING, R., SÁNCHEZ, S. V., & MARÍA-TOMÉ, J. S. The 2009 Department of Energy Solar Decathlon and the 2010 European Solar Decathlon expanding the global reach of zero energy homes through collegiate competitions In Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2009, pp IEEE. [3] LISE, W., SIJM, J., & HOBBS, B. F. (2010). The impact of the EU ETS on prices, profits and emissions in the power sector: simulation results with the COMPETES EU20 model. Environmental and Resource Economics, 47(1), pp [4] HEPBURN, C., GRUBB, M., NEUHOFF, K., MATTHES, F., & TSE, M. (2006). Auctioning of EU ETS phase II allowances: how and why?. Climate Policy, 6(1), pp [5] YOUNG, S. ET AL.: The HTK Book (For Version 3.3), Cambridge University, [6] J. KAČUR, HTK vs. Sphinx for Speech Recognition. Department of telecommunication FEI STU. [7] CMUSphinx (2016) CMUSphinx Tutorial for Developers. Carnegie Mellon University, [8] KËPUSKA, V., & BOHOUTA, G. (2017). Comparing speech recognition systems (Microsoft API, Google API and CMU Sphinx). Int. J. Eng. Res. Appl, 7, pp [9] SCHMIDHUBER, J. (2015). Deep learning in neural networks: An overview. Neural networks, 61, pp [10] IVÁN F.: Mesterséges intelligencia, Aula Kiadó, [11] BEN. K., PATRICK, S.: An Introduction to Neural Networks, University of Amsterdam, [12] MITRA, V., SIVARAMAN, G., NAM, H., ESPY-WILSON, C., SALTZMAN, E., & TIEDE, M. (2017). Hybrid convolutional neural networks for articulatory and acoustic information based speech recognition. Speech Communication, 89, pp [13] ALLEN, JONATHAN; HUNNICUTT, M. SHARON; KLATT, DENNIS (1987). From Text to Speech: The MITalk system. Cambridge University Press. [14] SAITO, Y., TAKAMICHI, S., & SARUWATARI, H. (2018). Statistical Parametric Speech Synthesis Incorporating Generative Adversarial Networks. IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, 26(1), pp [15] LEE, W. S., & HONG, S. H. (2008, August). KNX ZigBee gateway for home automation. In Automation Science and Engineering, CASE IEEE International Conference on IEEE. pp [16] TOSCHI, G. M., CAMPOS, L. B., & CUGNASCA, C. E. (2017). Home automation networks: A survey. Computer Standards & Interfaces, 50, pp [17] LING, Z., CHEN, W., & YU, J. (2004, June). Research and implementation of OPC server based on data access specification. In Intelligent Control and Automation, WCICA Fifth World Congress on (Vol. 2, pp ). IEEE. [18] CHRISTOPOULOS, K., ANTONOPOULOS, C., VOROS, N., & ORFANOUDAKIS, T. (2017). Building automation systems in the world of internet of things. In Components and Services for IoT Platforms pp

161 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN BLUETOOTH 5.0 ALAPÚ VAGON MEGHATÁROZÓ RENDSZER HARDVERÉNEK TERVEZÉSE DESIGN OF A BLUETOOTH 5.0 BASED RAILWAY WAGON TRACKING HARDWARE TÓTH József 1, L. KISS Márton 2 1 hallgató, tanszéki mérnök, toth.jozsef@uni-miskolc.hu 1 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros Informatika épület 2. em. 2 tanársegéd, l.kiss.marton@uni-miskolc.hu 2 Miskolci Egyetem, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc Egyetemváros Informatika épület 2. em. Kivonat: A cikkben bemutatjuk egy bluetooth 5.0 kommunikációs protokollon alapuló vasúti kocsi helymeghatározó hardver tervezésének menetét. A Miskolci Egyetem FIEK projekt keretein belül együttműködés zajlik egyetemünk és különböző nagyvállalatok között. Az eszköz kifejlesztésének célja, hogy a partnercég nyomon tudja követni gyárterületén található vasúti hálózaton elhelyezkedő vagonokat az adminisztráció megkönnyítése érdekében. A tervezés során felhasználtunk egy fejegységet, valamint vagonokra szerelhető bluetooth-os tag-eket. Ezen fejegység kommunikál a vagonokon található tag-ekkel. A rendszer kiépítésével a partnercég nyomon tudja követni az egyes vasúti kocsik pontos helyzetét. Kulcsszavak: Bluetooth 5 hálózat, IoT, helymeghatározás, vasúti hálózat Abstact: In this article We introduce a design method of a bluetooth 5.0 communication protocol based railway tracking system. At University of Miskolc, there is a consorcium called FIEK where we cooperate with different companies. The goal of the development is to create a tracking system for the partner company s railway network and to make the administration of the wagons positions easier. During my development We used a head unit and bluetooth tags to apply them on the wagons. This head unit communicates with the tags mounted on the railway wagon. This system helps the partner company to localize the railway wagon s exact position. Keywords: Bluetooth 5 network, IoT, tracking, railway system 1. BEVEZETÉS Az együttműködő partnercég kérése az, hogy a gyárterületükön található vasúti hálózaton lévő vagonoknak legyen egy korszerűsített nyomon követő rendszere. A gyár területén jelenleg papíron vezetik az egyes kapukon áthaladó vagonokat, így arról kapnak információt, hogy a területen belül melyik kapun haladt át az adott vasúti kocsi. A vegyipari folyamatokhoz szükséges tartálykocsik így a gyár területén érkezési sorrendben a különböző vágányokon helyezkednek el. Az adott kocsi megkeresése így jelentős időt és emberi erőforrást vesz igénybe. Ennek megoldására fejlesztjük ki a GPS-es helymeghatározó fejegységet valamint a fejegységgel kommunikáló ún. tag-eket. A fejegység a mozdonyon belül helyezkedik el, a tagek pedig a vasúti kocsikon helyezkednek el. A tag-ek szerepe, hogy bluetooth-on keresztül kommunikáljanak egymással, valamint a fejegységgel. Korábban már foglalkoztak hasonló vagon követő rendszerek kiépítésével, valamint mozdony, helymeghatározással viszont az itt bemutatott megoldás egy olyan egyedi rendszer lesz, amely ötvözi az eddigi megoldásokat [1-4]. 161

162 TÓTH József, L. KISS Márton 2. TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS A bluetooth technológiát 1994-ben az Ericsson kezdte kifejleszteni. Eredetileg az RS232 kommunikáció vezetéknélküli alternatívájának szánták. Az első verzió kisebb nehézségekbe ütközött. Többek között az eszközök nem ismerték fel egymást, valamint sebessége kicsi volt. Az áttörést a 2.0 hozta, ahol elérték a 10 Mbit/s-os sebességet. A bluetooth a ,5 MHz közötti frekvenciasávot használja. Csomagalapú átviteli technológiát alkalmaz, ami azt jelenti, hogy az adatokat kis részletekre tördelve továbbítja. Az adó és vevő szerep szinkronizációval cserélhető. Előnye, hogy nem csak kettő, hanem több eszköz kommunikációját is lehetővé teszi. Hatótávolsága a sugárzási teljesítménytől függ. A legújabb bluetooth 5 szabványon belül több típust is megkülönböztetünk. Ezek a típusok abban térnek el egymástól, hogy az adott bluetooth eszköz milyen célt szolgál, például nagy adatátvitel szükséges, alacsony energiafogyasztás vagy hálózat kialakítás. 1. ábra: Bluetooth 5.0 A bluetooth legújabb szabványának további előnye, hogy IoT kompatibilis. Ez azt jelenti, hogy csatlakoztatható felhőalapú szolgáltatáshoz, valamint támogatja az eszközök közötti beacon és mesh hálózatot így lehetővé téve egy nagyobb terület teljes bluetooth lefedettségét. 3. HELYMEGHATÁROZÓ HARDVER TERVEZÉS 3.1. Probléma meghatározása A partnercég területén összetett vasúti hálózat található. A gyár területére egy sínpár fut be, amely több vágányra oszlik. A gyárterület több részre van felosztva és a területek között szintén egy vasúti sínpár halad. A gyártás folyamatát az nehezíti meg, hogy a különböző beérkezett nyersanyagok különböző gyárterületek vágányaira kerülnek. Így az adminisztráció során papír alapon kell vezetni, hogy melyik vagon hová érkezett és hová vitték. A további probléma az, hogy ezeken a vágányokon különféle típusú vegyi anyagokat tartalmazó vagonok sorakoznak fel. Minden újabban beérkezett vagon papíron kerül regisztrálásra, és ha olyan mozgás történik, amely nem került regisztrálásra akkor könnyedén problémát okoz az adott anyag megtalálása Hardver felépítése A rendszer két részre osztható, egy vagonon elhelyezett fejegységre illetve a vasúti kocsikra szerelhető tag-ekre. A fejegység feladata a pontos helymeghatározás, illetve adatgyűjtés, a tagek feladata, hogy kialakítsák a kommunikációt egymás közt, illetve a fejegység közt Fejegység Az általunk tervezett fejegység a fent említett bluetooth-os mikrovezérlőt tartalmazza. Ez az egység a mozdonyban kerül elhelyezésre. A mozdony képes a megfelelő energiaellátást biztosítani így itt az energiafogyasztás nem kritikus pont. Ezzel szemben fontos, hogy az egység képes legyen méter pontosságú GPS koordinátákat mérni. Ezen koordináták alapján tudjuk megmondani, hogy a mozdony melyik vasúti vágányon tartózkodik. 162

163 Bluetooth 5.0 alapú vagon meghatározó rendszer hardverének tervezése A fejegység további feladata az, hogy az adatokat továbbítsa a cég számára feldolgozásra. Így a cég azt egy adatbázison keresztül nyomon tudja követni. Ez jelentősen egyszerűbbé teszi az adminisztrációs folyamatot Tag A tag-ek a vasúti kocsikon kerülnek elhelyezésre. Ezek a tag-ek tartalmaznak egy bluetoothos mikrovezérlőt, egy gyorsulásmérőt, egy NFC chip-et valamint egy akkumulátort. A gyorsulásmérő feladat az, hogy amíg a vasúti kocsik nyugalmi állapotban vannak, addig az eszköz alvó állapotban legyen. Mivel ezek energiaellátása akkumulátorról történik, így az egyik kritikus pont az energiafogyasztás. A gyorsulásmérő feladata tehát az, hogy amint a mozdony megmozdítja a szerelvényt, az életre keltse a mikrovezérlőt. Amint aktív állapotba került a mikrovezérlő, felépül a kommunikáció az adott vagonok között, amely alapján meghatározható, hogy melyik mozdonyra milyen azonosítóval rendelkező kocsik, milyen sorrendben következnek egymás után. Ezen információk meghatározására szolgál az NFC egység. Az NFC segítségével a leolvasó eszközt kezelő személy számára különböző információk jelennek meg. Az információk között szerepel például különböző státusz adatok, utolsó mozgatás időpontja, akkumulátor feszültsége vagy információt ad arról, hogy történt-e bármiféle szabotázs az adott tag-en. Továbbá tartalmazhat a vasúti kocsira illetve a tárolt adagra vonatkozó információkat is amely a cég dolgozóinak hasznos információ Lehetséges megoldás Az általunk tervezett rendszer lehetővé teszi, hogy a gyárterületére beérkező vasúti szerelvényekre szerelt tag-ek segítségével a fejegység rögzíti a kocsik pozícióját. Az adatok tovább küldésével a cég így pontosan nyomon tudja követni, hogy milyen kocsi hol tartózkodik. A tag-ek azonosítójához hozzá lehet rendelni a kocsi és a szállított anyag paramétereit. 2. ábra: Blokkvázlat 4. BLUETOOTH 5 ESZKÖZ A hálózat kialakításához egy olyan eszközre volt szükség, amely támogatja a bluetooth 5 szabványt azon belül is a mesh hálózat kialakítását, valamint ezen tulajdonságok mellett kellően alacsony az energiafogyasztása. Ezen szempontokat figyelembe véve került a választás az STEVAL-IDB008V2. Ez a panel egy gyártó által kiadott változat, amelyen megtalálható különböző perifériák és csatlakozósorok. 163

164 TÓTH József, L. KISS Márton Az általunk felhasznált eszközökben nincs szükség ennyi kivezetett perifériákra így szükséges lesz egy önálló panel tervezése az integrált áramkörhöz a méretek minimalizálásának érdekében. A vizsgált panel a 3. ábrán látható. 3. ábra: Bluetooth 5.0 eszköz Az eszköz egy olyan mikrovezérlő áramkör, amely támogatja a bluetooth kommunikációt. Ennek előnye, hogy nem kell külön beágyazott rendszer az eszköz mellé, hanem önmagában alkalmas mind a kommunikációra, mind az adatok feldolgozására. Az eszköz támogatja a mesh hálózat kialakítását. A mesh egy olyan hálózat, ahol minden eszköz képes kommunikálni minden másik eszközzel. Mesh hálózaton keresztül egy üzenet elküldése a megfelelő eszköznek a következő módon történik: a küldő elküldi az üzenetet az első legközelebbi eszköznek, az megvizsgálja, hogy neki szánta-e az üzenetet a küldő, amennyiben igen akkor feldolgozza az üzenetet viszont, ha nem akkor tovább küldi a következő eszközre. A mesh hálózat azért kiemelkedő a mi esetünkben mert nincs lehetőség arra, hogy az egymás mögé került vagonok eszközeit mindig külön párosítással kapcsoljuk össze. Így tehát a rendszernek egy fontos kritériuma, hogy a vagonokra véletlenszerűen eszközök képesek legyenek önállóan felépíteni a bluetooth kapcsolatot. Az eszköz, illetve a bluetooth 5 szabvány másik legnagyobb előnye az energiafogyasztás. A mikrovezérlő többféle működési üzemmódot támogat. Ezek közül megkülönböztethetünk aktív és standby módokat. Ezen módokat alkalmazva a dokumentáció alapján végeztünk egy becslést az eszköz energiafogyasztásáról. Ehhez a kalkulációt szoftveresen végeztük, ahol beállítottuk a megfelelő paramétereket a fogyasztással kapcsolatban, valamint azt, hogy milyen akkumulátorról üzemel az eszköz. Az eredmények a következő ábrán láthatók. 1. táblázat: Az eszköz áramfelvétele Mód CPU frekvencia VDD Áramfelvétel Átlagos Aktív 2 MHz 1,8 V 9,6 ma Standby 0 Hz 1,8 V 210 µa 209,39 µa A kalkulációt a szoftver három darab 1,5V-os 2850 mah kapacitású akkumulátorra végezte. Ennek alapján láthatjuk, hogy az adatok rendkívül előnyösek. A szoftver által végzett kalkuláció a 4. ábrán látható. A szoftver számítási adatai szerint a mikrovezérlő másfél évig üzemel az adott akkumulátorok mellett. A kalkuláció természetesen ideális körülmények mellett vehető számításba, így ezen adatok a valóságban eltérhetnek. 164

165 Bluetooth 5.0 alapú vagon meghatározó rendszer hardverének tervezése 4. ábra: Energiafogyasztás kalkuláció 5. KÖVETKEZTETÉSEK, FEJLESZTÉSI LEHETŐSÉGEK Az eddigi fejlesztések alapján azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a tervezett fejegység számára a legfontosabb a stabil kommunikáció és megbízható GPS elérhetőség. A tag-ek legfontosabb jellemzőinek kell lenni az energiahatékonyság és az alacsony ár. Mivel ezek akkumulátoros üzemmel működnek így fontos, hogy minél kevesebb karbantartást igényeljenek, hogy ez ne járjon jelentős emberi munkaerővel. Az alacsony ár azért fontos, mert a vasúti kocsik elhagyják a gyár területét ezért különböző sérülés vagy lopás elkerülése érdekében ezeket könnyen tudjuk pótolni. 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP jelű Fiatalodó és Megújuló Egyetem Innovatív Tudásváros a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése projekt részeként a Széchenyi 2020 keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 7. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] CHIOCCHIO, S., PERSIA, A., SANTUCCI, F., DI CLAUDIO, V., DI GRANDE, D., GIUGLIANO, P., & GUIDOTTI, G. A cloud-based heterogeneous wireless platform for monitoring and management of freight trains. In Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), th International Congress on (pp ). IEEE. [2] YAAKOP, M. B., MALIK, I. A. A., BIN SUBOH, Z., RAMLI, A. F., & ABU, M. A. (2017, September). Bluetooth 5.0 throughput comparison for internet of thing usability a survey. In Engineering Technology and Technopreneurship (ICE2T), 2017 International Conference on (pp. 1-6). IEEE. [3] BERLIN, E., & VAN LAERHOVEN, K. (2013, May). Sensor networks for railway monitoring: Detecting trains from their distributed vibration footprints. In Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), 2013 IEEE International Conference on (pp ). IEEE. [4] ALLOTTA, B., D'ADAMIO, P., FARALLI, D., PAPINI, S., & PUGI, L. (2015, May). An innovative method of train integrity monitoring through wireless sensor network. In Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2015 IEEE International (pp ). IEEE. 165

166 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN INTELLIGENS VEZÉRLŐ RENDSZER FEJLESZTÉSE KOMFORTÉRZET KONFIGURÁLÁSÁRA DEVELOPING AN INTELLIGENT CONTROL SYSTEM FOR CONFIGURING COMFORT VARGA Ádám 1, PINTÉR Judit Mária 2 1 BSc hallgató, varga.adam10@gmail.com Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai kar, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc- Egyetemváros 2 Ph.D., adjunktus, pinterjm@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai kar, Automatizálási és Infokommunikációs Intézet, 3515 Miskolc- Egyetemváros Kivonat: Cikkünkben egy olyan komfort szint beállítására alkalmas ezközt mutatunk be, amely egy okos otthonban való alkalmazás esetén a lakók kényelmét szolgálja. A rendszer adatokat gyűjt a lakók levegő komfort igényeiről és ezek alapján próbálja úgy beállítani a levegő minőséget, hogy a lakók a lehető legjobban érezzék ott magukat. A rendszer alkalmas felhasználói visszajelzéseket fogadni, és ezek alapján, illetve a korábbi szokások alapján olyan ajánlatokat ad a felhasználónak, amellyel javítani tudja az otthonában a komfortérzetét. Kulcsszavak: okos otthon, levegő komfort szint, levegő minőség Abstract: Articles provide a level of comfort that is appropriate for living in the apartment. The system data collects the comfort of the residents and tries to adjust the air quality on the basis of these, so that the residents feel as comfortable as possible. The system is capable of receiving user feedback, and on the basis of these, and on the basis of previous habits, offers the user the opportunity to improve the comfort of his home. Keywords: smart home, air comfort level, air quality 1. SOLAR DECATHOLN A Solar Decathlon egy olyan amerikai szervezésű egyetemek közti verseny, ahol az egyetemisták megmutathatják, milyen építészeti, gépészeti, és automatizálási tudással rendelkeznek, és ezeket hogyan tudják egy ház építésénél felhasználni. A Miskolci Egyetem csapata a Blidai egyetemmel (University of Blida) közreműködve SOMEshine néven indul ezen a versenyen. Az a cél, hogy egy olyan házat hozzunk létre, ami népszerűsíti a napenergiával és más megújuló energiával működő passzív házakat. A ház energiaigényét napenergia felhasználásával szeretnénk megvalósítani oly módon, hogy a piacon kapható eszközöket alkalmazzuk, de mellettük saját fejlesztésű eszközök is beépítésre kerülnek. A mi feladatunk az, hogy a ház automatizálásával foglalkozzunk. A lakóház elektronikusan vezérelt rendszereinek tervezését felosztottuk, az én feladatom a belső- és külső környezetben a levegőminőség mérésének tervezése és a mérések lebonyolítása. A levegő paramétereit kint is és bent külön szenzorokkal tízpercenként mérjük. A mért eredményeket egy szerver tárolja. A megadott periódus értékei alapján a rendszer megfigyeli, hogyan alakítsa ki a ház szellőztetését annak érdekében, hogy a lehető legkevesebb szennyezőanyag jusson be a lakótérbe. 2. A TÉMA AKTUALITÁSA A korszerű építészetben gyakran megjelenik az okos otthon szó. Ennek a jelentésével azonban elég kevesen vannak tisztában. Mindenki hallott már erről a témáról, de kevesen tudják 166

167 VARGA Ádám, PINTÉR Judit Mária pontosan meghatározni, hogy mi ennek a fogalomnak a jelentése. Az okos otthon olyan technikai eszközök együttese, amelyek kommunikálnak és együttműködnek egymással, így lehetővé téve ezen eszközök központi irányítását. A tévhitekkel ellentétben a házat nem egy mesterséges intelligencia vezérli, hanem egy komplex számítógépes rendszer irányítja, amely a rendelkezésre álló adatok alapján képes az eszközöket úgy irányítani, hogy azok a lehető leghatékonyabban működjenek. Általában ezeknek a házaknak a működésébe a számítógépes rendszerrel kommunikálva távolról is be lehet avatkozni, a központi vezérlő egységen keresztül a fűtési, világítási, illetve a lakás biztonsági rendszerét is módosítani lehet. Ez a központi egység úgy működik, mint egy agy. Utasításokat ad az alrendszereknek, illetve ajánlásokat a lakóknak a mért adatok alapján. Mivel az alrendszerek egymással kommunikálnak, ezért lehetőség nyílik arra, hogy előre beprogramozott eseményekhez viszonyítva a szenzorok által érzékelt adatok alapján a rendszer változtatásokat hajtson végre. Beállítható például, hogy reggelente az ébresztőóra megszólalása után 5 perccel húzódjanak fel a redőnyök, este pedig napnyugtakor ereszkedjenek le, de azt is beprogramozhatjuk, hogy ha a külső hőmérséklet eléri a 28 o C-ot, a redőnyök félig újra ereszkedjenek le, hogy egy hőszigetelő réteg alakulhasson ki az ablak és a redőny között, amivel megvédhetjük a házat a túlmelegedéstől és a hűtésre fordított energiával tudunk spórolni. Ugyanezen mozgást bonyolíttathatnak le külső naprolókkal is. Itt figyelembe kell venni a külső légmozgást is a hőmérsékleten kívül, nehogy a hirtelen érkező vihar előtti nagy szél letépje a külső árnyékolót. Figyelembe kellene, hogy vegye a belső hőmérsékletet is, a komfortos hőmérsékleti értéket meghaladva be kell, hogy kapcsolja a klímaberendezést. 3. A LEVEGŐMINŐSÉG MÉRÉSI MÓDSZEREINEK FEJLŐDÉSE A belső levegőminőséget, annak CO2-tartalmát Max von Pettenkofer vizsgálta elsőként a XIX században ban a "Münchner Medizinische Wochenschrift" orvosi folyóiratában publikálta kutatásainak eredményeit. Megállapította, hogy a kültéri levegő összetétele eltér a beltéri levegő összetételétől. Arra lett figyelmes, hogy a levegő széndioxid-tartalma sokkal nagyobb a lakótérben, mint a szabadlevegőn. Megfigyelései szerint akkor mondható ki egy helységről, hogy friss a levegője, ha a CO2 koncentráció ppm alatt marad. Emiatt a megállapítása miatt a jó levegő szintjét a szakirodalom Pettenkofer számként tartja nyilván [1]. Levegő általános minőségének mérésével Yaglou foglalkozott először [2]. A mérései szubjektívek voltak, hiszen emberek segítségével értékeltette a levegő minőségét. A mérés nem volt valódi mérés, hanem egy érzékszervi vizsgálat volt, amelyet úgy végeztetett el, hogy a szobába belépőnek a levegőminőségre vonatkozóan egy érteket kellett mondani a 0-tól 5-ig terjedő skálán. A kapott értékeket összesítették és ebből vontak le következtetéseket. Egy olyan publikációt olvastam, amely az irodaterek belső levegő minőségének értékelésével foglalkozik. Ebben azt vizsgálták, hogy levegő minősége milyen kihatással van az ember komfortérzetére. Ennek a cikknek az olvasása közben fogalmazódott meg bennem az elgondolás, hogy építsek egy olyan berendezést, amelyet a lakótérben elhelyezve komfortosabbá teszi az ott lakók életét. Figyelembe venné ez a berendezés az ott lakók levegő paraméterekre vonatkozó igényeit, és a felhasználói visszacsatolás alapján addig módosítaná ezeket a paramétereket, ameddig a lakók a legjobban nem érzik magukat [3]. A mai építészetben maguknak az építészeknek is figyelembe kell venniük, hogy a lakásban milyen a levegő minősége. Sok energia spórolható meg azzal, hogy jó minőségű hőszigetelt ablakokat alkalmazunk. A falakat is hő szigeteljük, ami további energiamegtakarítást jelent. A túlzott hőszigetelés azt eredményezi, hogy a lakótérben megszűnik a levegő természetes cseréje. Ennek velejárója, hogy megnő a páratartalom, ami miatt gyakran jelenhet meg penészedés a falak sarkában. A probléma orvosolható lenne, ha megfelelő szellőztetést eszközölnénk, de mint tudjuk, ha rosszul szellőztetünk, azzal sok energiát pazarolunk el. Az axiális ventilátor jó 167

168 Intelligens vezérlő rendszer fejlesztése komfortérzet konfigurálására megoldást kínál a ház azon pontjaiban, ahol a páratartalom fokozottan magas. Ilyenek például a fürdőszoba, illetve a konyha. A legkorszerűbb levegőcserélő rendszer a levegő elszívásán alapuló rendszer, amely képes érzékelni, hogy mely helységeket használjuk leggyakrabban, és annak függvényében cseréli a levegőt, hogy milyen gyakran tartózkodunk az adott helységben. Érzékelők segítségével meghatározza, hogy milyen a belső tér levegőminősége és ez alapján állítja be, hogy mikor mennyi levegőt juttasson az adott helyiségbe. A levegő keringgetéséért felelős ventilátor, ha nincs nagy levegőcsere igény, akkor kisebb fordulatszámon üzemel, hogy kisebb legyen az energiafelhasználás. Továbbiakban a rendszer úgy van kitalálva, hogy a kiszívott meleg levegőt egy hőcserélőn keresztül vezeti ki a szabadba. A beszívott friss levegő ugyancsak áthalad hőcserélő berendezésen, ahol meg tud melegedni, ezzel nagyban javítja a szellőztetési hőveszteséget [4]. 4. CÉLKITŰZÉS Sok olyan cikket olvastam, ami valamilyen módon az okos otthonnal foglalkozik, viszont kevés olyan publikáció van, amely nem az energiatakarékosságot helyezi előtérbe, hanem a lakók kényelmét, komfortérzetét. Nem találkoztam olyan publikációval, amiben az okos otthon levegő paramétereit vizsgálnák annak függvényében, hogy a lakók, hogy érzik magukat benne. A célom az, hogy egy olyan rendszert hozzak létre, ami a levegő tulajdonságait mérve megtanulja azt, hogy a felhasználó milyen levegő minőségi beállítások közt érzi magát jól, és a későbbiekben megpróbáljon olyan paramétereket beállítani a lakók számára, amely a szokásaikhoz igazodik és biztosítja a komfortérzetüket. A piacon egy hasonló eszközt találtam, amely a levegő minőségét jelzi ki, de ez az eszköz elég drága és Magyarországon nem is kapható. Az eszköz működéséről és szenzorairól semmilyen dokumentációt nem találtam. Az eszközről annyit lehet tudni, hogy CO2, illetve szálló por koncentrációt tud kijelezni [5]. Az általa megjelenített adatokat interneten keresztül kapja. Cikkemben bemutatom, hogy milyen paramétereket mérjünk ahhoz, hogy meg tudjuk határozni a komfortérzetet befolyásoló tényezőket, illetve azokat a szenzorokat, amelyek segítségével mérhetők ezek a paraméterek. Ezen kívül ismertetem azokat a szempontokat, ami alapján ezeket a szenzorokat kiválasztom, illetve a szenzorból az adatok kiolvasásának a módszereit. 5. MÉRENDŐ PARAMÉTEREK A levegő komfortparamétereit szenzorokkal tudjuk mérni. Ehhez a következő paramétereket kell mérnünk, majd ezekből a mérésekből következtetéseket levonnunk, hogy ezek milyen hatást gyakorolnak az emberekre: - hőmérséklet, - páratartalom, - nyomás, - fény, - szálló por (PM2.5, PM10), - CO2. 6. SZENZOROK Rengeteg alternatíva létezik a hőmérséklet meghatározására. Én a BME280-as szenzort találtam a legideálisabbnak, a hőmérséklet paraméterének meghatározására, hiszen ez a szenzor, kicsi, olcsó, jó felbontással és tág mérési tartománnyal rendelkezik. Ez a szenzor mind 168

169 VARGA Ádám, PINTÉR Judit Mária azok mellett, hogy a hőmérsékletet nagy pontossággal méri le, ezen felül páratartalom mérésre is alkalmas. Ez a szenzor a páratartalom méréssel szemben állított elvárásokat is teljesíteni tudta. Továbbá ez a szenzor alkalmas nyomásérzékelésre is, bár erre a paraméter érzékelésére vannak pontosabb szenzorok, de abban, hogy a komfort szintet meghatározzuk arra ez a szenzor is megfelelő. A kiválasztásban azt is figyelembe kellett vennem, hogy a szenzor mennyire elérhető. Szerencsére az egyetemen rendelkezésemre állt több ilyen szenzor, és a szoftvert is könnyedén meg tudtam rá írni. 1. ábra: BME280 hőmérséklet, páratartalom, nyomás szenzor Fényérzékelésre a TSL2591 es szenzort találtam megfelelőnek. Itt is az ár, illetve az elérhetőség döntött nem elfeledkezve az említett pontosságon és mérési tartományon kívül. Ezt a szenzort csak libraryk használatával tudtam működésre bírni. Hiába próbáltam az I 2 C szabályai alapján lekérdezni az általa mért paramétereket a szenzor nem akarta közölni a valós paramétereit. A megfelelő library használatával viszont a szenzorom életre kelt és pontos információkkal szolgált fényértékek tekintetében. Mikrovezérlő segítségével be lehet állítani, hogy milyen fényviszonyok mellett szeretnénk használni a szenzort, és ez alapján állíthatjuk be, hogy milyen mérési tartományban mérjen a szenzor. Továbbá a mérési időt is módosítani lehet, hogy a mérésünk minél pontosabb legyen. 2. ábra: TSL2591 fény szenzor Széndioxid mérését egy MG811-es szenzorral tudtam mérni. Ennek a szenzornak analóg kimenete van, amelyet a mikrokontroller analóg bemenetén tudtam lemérni. A szenzor 0,4 2 V közötti feszültség értékekkel reprezentálja a ppm közötti koncentrációt. Az említett szenzor is megtalálható volt az egyetemen, többek között ezért is választottam ezt a szenzort. Porszenzornak a Honeywell HPMA115S0-ás szenzort választottam. Ebből a szenzorból UART-on keresztül lehet kiolvasni a szenzorból az általa mért adatokat. A szenzor képes mérni, a levegőben előforduló 10 µm, és a 2,5 µm átmérő alatt lévő porszemcséket. A levegő keringgetéséhez egy kis ventilátort használ, amivel biztosítja a szenzor pontos tömegáramát. A szenzor egy 5 V-os tápfeszültségről üzemel. 7. ADATOK OLVASÁSA ÉS MEGJELENÍTÉSE A rendszerem alapja egy ESP32 es mikrokontroller platform. A mikrokontroller egy olyan fő egység ebben a témában, aminek a megléte elengedhetetlen, hiszen ez a kis eszköz fogja a szenzorokból kiolvasni a szenzorok paramétereit, és kijelezni a mért adatokat. Ennek a további 169

170 Intelligens vezérlő rendszer fejlesztése komfortérzet konfigurálására előnye, hogy nagyon kis fogyasztása van, képes vezeték nélkül csatlakozni Wifi hálózatra, ahol az általa mért adatokat közölni tudja, illetve ezeket a mért adatokat meg is tudja jeleníteni helyben. A mikrokontroller a szenzorokból I 2 C-n, UART-on, és analóg úton olvassa be az adatokat. A hőmérséklet, páratartalom, nyomás és fény adatokat a szenzorokból I 2 C-n keresztül tudjuk kiolvasni. A porszenzor adatait UART-on keresztül, még a CO2 szenzorból analóg felszültség beolvasással tudjuk meg. Hogy a mért adatokat a felhasználók elé tudjuk tárni, ahhoz az adatokat Wifi-n keresztül közölnünk kell egy Blynk szerverre. Ide az adatokat virtuális pinek használatával tudjuk elküldeni. A Blynk szervert egy Raspberry PI futtatja. Erre a célra ezt a mikroszámítógépet találtam a legideálisabbnak, hiszen kicsi az energiafogyasztása, és az MQTT-n kapott adatokat el is tudja tárolni. Ezeket az adatokat a telefonunkra telepített Blynk applikáció segítségével meg is tudjuk tekinteni. Továbbá a Raspberry PI alkalmas arra is, hogy az általa begyűjtött adatokat szintén MQTT alapon elküldje egy PLC-nek ami a szenzorok adatai alapján beavatkozik a lakás vezérlési rendszerébe. Felhasználói visszajelzést a Blynk telefonos applikáción keresztül tudunk adni. Ezt érzékeli a mikrokontroller és jelzi a szerver számára. A PLC érzékeli a szerveren megváltozott adatokból, hogy a lakóknak hogyan módosult a komfortigénye, aminek hatására beavatkozik a lakást vezérlő rendszerekbe. 8. ÖSSZEFOGLALÁS A Blynk szerverről letöltött adatok kiértékelése során megállapítottam, hogy a BME 280-as szenzor, a TSL2591-es szenzor, illetve a Honeywell porszenzor reális értékeket mért. Az MQ811-es szenzor mérései, a valóságnak ellentmondó adatokkel szolgát, így elmondható, hogy ez a szenzor nem alkalmas az én esetemben CO2 mérés elvégzésére. Továbbiakban ezt a szenzort egy más típusú szenzorral fogom helyettesíteni, illetve szeretném a mérendő paramétereket a VOC és irritáló szagokat mérő szenzorokkal kiegészíteni. 9. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikkben ismertetett kutató munka az NTP-SZKOLL azonosítószámú Fókusz'19 - Középpontban a közösség projekt keretében valósult meg az Emberi Erőforrások Minisztériuma és az Emberi Erőforrás Támogatáskezelő támogatásával. 10. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] PETTENKOFER, M. V.: Über den Luftweschel in Wohngebauden. München, [2] YAGLOU, C.P.; RILEY, E.C.; Coggins, D.I.: Ventilation Requirements (Part 1). ASHVE Transactions. Vol. 42. pp [3] =1 [4] [5] 170

171 Villamosmérnöki Tudományok I. évf. 2. szám pp ISSN KÉPGALÉRIA Villamosmérnöki Tudományok Határok Nélkül Konferencia és a Bécsi, alias Ampervadász Piroska villamos kereszteléséről, nosztalgia-villamosozásról 171

172 A résztvevők által készített fényképekből került összeállításra 172

173 A résztvevők által készített fényképekből került összeválogatásra 173

174 A résztvevők által készített fényképekből került összeállításra 174

175 A résztvevők által készített fényképekből került összeválogatásra 175

176 A résztvevők által készített fényképekből került összeállításra 176