Dr. techn. Turmezei Péter NAPELEMES ENERGIAELLÁTÓ RENDSZEREK KATONAI ALKALMAZÁSÁNAK KÉRDÉSEI A kitűzött kutatási feladat összefoglalása A XX. század 90-es éveiben a haderők alkalmazásában paradigmaváltásra került sor. A tömeghadseregeket fokozatosan professzionális, feladatorientált haderők váltják fel, amelyekben meghatározó az informatika és az elektronikai eszközök mindenre kiterjedő alkalmazása. A katonai műveletekben előtérbe került az alegység szintű tevékenységekre alapozott elgondolás, az alegység és az egyes katonák tevékenységének komplex technikai biztosítása, ezen belül személyi számítógépek, személyi híradó-, kommunikációs-, felderítő-, helyzet-meghatározó, éjjellátó eszközök alkalmazása. A korszerű haderőben jelentősen megváltozott három egymással korrelációban lévő összetevő: a fajlagos energia felhasználási ráta, a kommunikációs képesség és a személyi elektronikai eszközökkel való ellátottság minőségi követelménye. Prognózisok szerint a Magyar Honvédség 2010-ig éri el a jelenlegi mutatók 2. 5-szörösét jelentő NATOszinteket. A technikai fejlesztés megoldandó alapkérdésének az eszközök folyamatos működését lehetővé tevő (táp)energia biztosítása tekinthető. A Magyar Honvédség mozgástere a békefenntartó és béketeremtő tevékenységgel kiszélesedett. Ezekben a műveletekben Magyarországtól földrajzilag távol eső területeken bizonytalan, gyakran elérhetetlen villamos hálózatok és költséges, akadozó üzemanyag-ellátás mellett megoldhatatlan a feladatok effektív végrehajtása. Ugyanakkor mindenütt rendelkezésünkre áll egy az előzőektől teljesen független - megújuló energiaforrás, a Nap. Bár a napenergia katonai hasznosítása a pun-háborúkig nyúlik vissza, az ezt követő évszázadok során a napsugárzást lényegében csak közvetlen melegítésre használták. A Napnak, mint megújuló energiaforrásnak felhasználása a XX. század ötvenes éveitől kezdődően egyre nagyobb mértékben terjed; az erre vonatkozó intenzív kutatásokat az 1973- as olajválság indította el és az 1983-ban meghirdetett Csillagháborús-program (Strategic
2 Defense Initiative) terjesztette ki. A Nap-energia katonai alkalmazása az Öböl-háborúban és egyes helyi háborúkban széleskörűen megvalósult. A honvédségnél rendszeresített komplex villamos rendszereket üzemeltető villamosmérnök-tisztek számára különösen fontos a kezelői és karbantartói ismereteken túlmenően a berendezések működési elveinek, alkalmazásuk lehetőségeinek-, ezek elvi és gyakorlati korlátainak megismerése. Ebből következik, hogy a villamosmérnök-tiszteket a megfelelő szakmai ismereteket feltételező feladatok elvégzésére már a főiskolai oktatás során fel kell készíteni, ehhez a képzésen belül szükséges olyan tananyagot kialakítani, amellyel a fenti oktatási célok elérhetőek. Mindezeket figyelembe véve 1992-től kezdődően kutatom a napsugárzás magyarországi alkalmazásának lehetőségeit. Az értekezés céljaként - kutatási területemet leszűkítve - a Napnak, mint megújuló energiaforrásnak, a katonai alkalmazását, ezen belül a napelemek fizikai működésének vizsgálatát fogalmaztam meg. Egy napelem katonai alkalmazhatóságát - geometriai méretek, szállíthatóság, sebezhetőség, megbízhatóság - alapvetően a napelem hatásfoka determinálja, ezért kutatásaimban kiemelten foglalkoztam a napelemek hatásfokának meghatározásával és a hatásfok növelésének lehetőségeivel. Kutató munkám célja: A feketesugárzóval megvilágított egy- és többrétegű ideális napelem elméleti maximális energiakonverziós hatásfokának meghatározása a feketesugárzó hőmérsékletének a függvényében A szakirodalomban alkalmazottnál egyszerűbb összefüggés felírása a félvezető napelem hatásfokának az anyagi tulajdonságoktól való függésére Az elektrokémiai napelemek félvezető-elektrolit átmenetére fizikai tartalommal rendelkező elektromos helyettesítő kép meghatározása Alegységek elektromos hálózattól független energiaellátásának megoldása napelemek segítségével
3 Javaslat elsősorban a katonai felsőoktatás vonatkozásában olyan tananyag kidolgozásra, amely elősegíti a napelemek sikeres alkalmazásához szükséges ismeretek elsajátítását, illetve szemléletmód kialakítását. A kutatás során végzett munkám elsősorban alkalmazott kutatás, amelyben felhasználásra kerültek a szilárdtestfizika elméleti összefüggései és gyakorlati eredményei, a matematikai analízis eljárásai, valamint a numerikus- és hálózati analízis módszerei. Kutatásaim kiindulási feltételei a következők: Feltételeztem, hogy a Föld felszínén a Nap sugárzásának színképéhez energiaátalakítás szempontjából jól közelíthető a feketetest sugárzásának színképe Feltételeztem, hogy a napelemkészítéshez használt félvezetők adalékkoncentrációja megegyező nagyságrendű a más célú félvezetők adalékolásával Feltételeztem, hogy az elektrokémiai napelem félvezető elektrolit átmenete elektromos szempontból RC tagokkal modellezhető. Kutatásaimban azokból a tapasztalatokból indultam ki, amelyek egyrészt másfél évtizedes kutatóintézeti munkám folyamán a katonai berendezések fejlesztésekor halmozódtak fel, másrészt amelyeket a rákövetkező újabb másfél évtizedben a polgári és katonai felsőoktatásban végzett oktatói és oktatásfejlesztési tevékenységem során szereztem. Az elvégzett vizsgálatok rövid leírása, az azokból levonható következtetések Az értekezés I. fejezetében a napsugárzás fizikai jellemzőivel, a napsugárzás geometriájával és az energiakonverzió kérdésével foglalkozom. Áttekintem a napelemek működésének vizsgálatához szükséges napsugárzás jellemzőit, a világűrben és a földfelszínen mérhető színképet, teljesítménysűrűséget és fotonsűrűséget. A napsugárzás geometriájának ismerete elengedhetetlen a napelemmodulok telepítéséhez, pozicionálásához és a követő rendszer létesítéséhez. Az energiakonverzió vizsgálatához a napsugárzás színképéhez a Nap felületi hőmérsékletével megegyező hőfokú feketesugárzó színképével közelítettem. Amíg a
4 világűrben a két színkép gyakorlatilag megegyezik, addig ez a közelítés a Föld felszínén már nem alkalmazható egyértelműen. A légkör szilárd szennyeződése egyenletes intenzitáscsökkenést okoz ugyan, így a színképet ez nem torzítja, ezzel szemben a levegőben lévő szén-dioxid, vízgőz és ózon a színképben számos keskeny sávban jelentős csillapítást okoz, viszont ez a csillapítás éppen a sávok keskenységénél fogva az energiaviszonyokat nem befolyásolja észrevehetően. Az ideális energiakonverzióban azok a fotonok keltenek W g elektromos energiát, amelyeknek energiája nagyobb, mint az anyagjellemző W g. A hatásfok meghatározható a W g függvényében különböző színképű sugárzókkal, így a különböző hőmérsékletű feketesugárzókkal megvilágított napelemeknél is. Feketesugárzó esetében az eredmény zárt alakban felírható, de a négytagú összegből kettő logaritmusfüggvény, a másik két tag pedig a Nielsen-féle polilogaritmus függvény. Az optimális W g meghatározásához ez a kifejezés ugyan még deriválható, de az optimális W g nem állítható elő zárt alakban, ezért az optimumszámítást Newton módszerrel numerikusan végeztem. Felírtam az optimális W g -t meghatározó egyenletet a feketesugárzó hőmérsékletének függvényében, ezek alapján definiáltam, hogy a konverzió maximális hatásfoka bármilyen hőmérsékletű feketesugárzó használata mellett 43.88 %. A több rétegből álló napelemben megvizsgáltam az energiakonverzió hatásfokának alakulását a különböző rétegek anyagára jellemző W g1, W g2,... W gn függvényében. Az optimumszámítást itt is numerikusan gradiens módszerrel- végeztem el, ennek során felírtam az optimális W g1, W g2,... W gn -ket meghatározó egyenleteket a feketesugárzó hőmérsékletének függvényében. Meghatároztam, hogy kétrétegű napelem esetében a konverzió maximális hatásfoka 60.38 %, háromrétegű napelem esetében pedig 69.23 %. Az értekezés II. fejezetében a napelemek technológiai kérdéseivel foglalkozom. Megvizsgáltam a félvezető napelemek hatásfokának a csökkenését az ideális konverziós hatásfokhoz képest. A félvezető nyitófeszültségének a diffúziós potenciállal történő közelítésével összefüggést állapítottam meg a félvezető tiltott sávjának szélessége és a hatásfok között. Ebben a fejezetben foglalkozom a napelemek megbízhatósági elemzésével is. A szükséges fogalmak értelmezése után ismertetem a napelemek hibamechanizmusait,
5 kiemeltem azokat a különbségeket, amelyek a napelemek és a többi félvezető meghibásodási okai között fennállnak. Foglalkozom a napelemek vizsgálatának a módszereivel, kiemeltem azokat az eljárásokat, amelyeket a felhasználó végezhet vagy végeztethet el. Részletesen tárgyalom a katonai szempontból releváns napelemek előállításának technológiáját. Az amorf szilíciumból készült napelemeknek nagy előnyük, hogy előállításuk olcsó és egyszerű, abszorbciós képességük nagyságrendekkel kedvezőbb, mint a kristályos szilíciumé. Ugyanakkor az elektromos tulajdonságaik gyengébbek, ezért hatásfokuk is kisebb. További előny, hogy nem csak szilárd hordózóra, hanem fémfóliára is felvihető, így törésállósága is megjavult. Rámutattam arra a tényre, hogy az utóbbi évek technológiai fejlesztései nyomán az amorf szilícium napelemek megbízhatósága jelentősen megnövekedett, így katonai felhasználásra is alkalmassá váltak, elsősorban olyan földi alkalmazásoknál, ahol a kis méret nem elsődleges követelmény. Bemutatom a kristályos szilíciumból készült nagyhatásfokú napelemek konstrukcióját, és áttekintem a hatásfokot csökkentő okokat, valamint a csökkenés mérséklésének lehetőségeit. Ismertetem a jelenleg legnagyobb hatásfokú napelemeket, a vegyület-félvezetőkből készülő többrétegű heteroátmenetes cellákat, amelyeknek a hatásfoka meghaladja a 40 %-t. A hatásfokon kívül fontos szempont a különböző napelemek előállítási költsége. A megegyező elektromos teljesítményű amorf és heteroátmenetes napelem ára között mintegy ötszázszoros különbség mutatkozik, míg a hatásfokuk aránya csupán nyolcszoros. Ezt a magas költséget ma csak a kozmikus alkalmazások viselik el. A gyártástechnológia gyors fejlődése a várakozások szerint jelentős költségcsökkenést fog okozni, ezért az új alkalmazások tervezésénél ezekből kell kiindulni. Az energiatárolás a hagyományos akkumulátorokkal szemben hidrogén tárolásával gyakorlatilag veszteségmentesen oldható meg. A hidrogén előállítása a hagyományos napelemek áramával, vízbontással történhet. Közvetlenül állítható elő hidrogén a fotoelektrokémiai napelemek segítségével. Ezek a napelemek az elektromos kapcsok lezárásától függően áramot vagy hidrogént állítanak elő. Kutatásaimat kiterjesztettem a fotoelektrokémiai napelemek vizsgálatára is. A fotokonverzió hatásfoka nagymértékben függ a félvezető réteg felületi morfológiájától. Kutatásaim során a félvezető-elektrolit átmenetet vizsgáltam, ennek modellezésére fizikai tartalommal rendelkező helyettesítő képet állítottam fel. Az átmeneten potenciosztatikus kapcsolásban impedanciaanalízist végeztem. A mérési eredmények kiértékeléséhez számítógépre programot írtam, a mérési eredményekből meghatároztam a helyettesítő kép elemeinek értékét.
6 Az értekezés III. fejezetében a napelemek katonai alkalmazásának lehetőségeivel foglalkozom. Részletesen tárgyalom a napelemek telepítési kérdéseit. Ismertetem a rögzített elhelyezésű napelemek optimális telepítését, az optimális iránytól való eltérés hatására bekövetkező teljesítménycsökkenést. Bemutatom a Nap mozgását követő napelemmodullal elérhető teljesítménynövekedést. Ez a teljesítmény-növekedés hazánk területén 20-22%, az egyenlítőhöz közelítve a nyereség folyamatosan növekszik, amely a Szaharában eléri az 50%- t. Ugyanakkor a követő rendszernek hátrányai is vannak: a megtermelt energia egy részét felhasználja, költségesebb és a mozgó alkatrészek miatt a megbízhatósága is kisebb. Megállapítottam, hogy hazai alkalmazások esetében nem gazdaságos a követő rendszer alkalmazása, gazdaságossá válik viszont az egyenlítőhöz közel, ahol a jövőben a Magyar Honvédség egyes alakulatai békefenntartó műveletekben vehetnek részt. A korszerűen felszerelt katona harcképességét, illetve túlélőképességét jelentős mennyiségű akkumulátorról táplált elektronikai eszköz teszi lehetővé. Az energiaellátó hálózattól független működést az akkumulátorok napelemről történő töltése biztosítja. Az értekezésben olyan katonai célra készült napelemmel fogalalkozom, amely a katona személyi felszerelésének része és kivitele alkalmassá teszi a harctéri körülmények melletti alkalmazásra. Kedvezőtlen időjárási viszonyok esetén egy napelem jelenleg még nem képes egy katona teljes energiaigényét kielégíteni, ezért olyan akkumulátortöltőt kell alkalmazni, amely több napelem teljesítményét képes összegezni és egyszerre több akkumulátort tud tölteni. Javaslatot tettem kis alegységek részére olyan intelligens akkumulátortöltő kifejlesztésére és rendszerbe állítására, amely 1 8 napelem-csatlakozó bemenettel rendelkezik, egymástól függetlenül állítja be a napelemek optimális munkapontját, felismeri a csatlakoztatott akkumulátort, azt az előírt árammal tölti és kijelzi, hogy a töltő teljesítménye mennyire van kihasználva. Bemutatom a napelem gyakorlati alkalmazásának lehetőségeit a hadászati és harcászati légi felderítésben. Az USA-ban kifejlesztett napelemes repülőgépek 30 km magasságban elvileg korlátlan ideig képesek repülni, fényszegény időben akkumulátor táplálja a motorokat és a fedélzeti berendezéseket, az elképzelések szerint ezt a feladatot már a közeljövőben tüzelőanyag-cellákkal oldják meg. A napelemes repülőgép felderítését és megsemmisítését megnehezíti, hogy hőmérséklete megegyezik a környezetével, kevés fémet tartalmaz, zajtalan, nem bocsát ki égésterméket.
7 Harcászati szintű felderítésre, illetve kisalegységek támogatására alkalmas kis hatótávolságú, rövid repülési idejű repülőeszközök alkalmazása indokolt. Ezeknek az eszközöknek a hatósugara 10 km, repülési idejük 1 h. A Magyar Honvédségnél a ZMNE Elektronikai Hadviselés Tanszéken több repülőgéptípussal folynak ilyen jellegű kísérletek. Jelenleg akkumulátor táplálja a repülőgépet, ugyanis az elérhető napelemek teljesítménye még nem elegendő az akkumulátor helyettesítésére, de napelemek alkalmazása esetén a szükséges akkumulátor mérete (súlya) kisebb lehet, és így a hasznos teher nagysága növekedhet. A ZMNE Bolyai János Katonai Műszaki Főiskolai Karán a villamosmérnök-tiszt hallgatók oktatása során azt tapasztaltam, hogy a hallgatók a napelemekről nagyon kevés ismerettel rendelkeznek, ugyanakkor nagy az érdeklődés az eszközök alkalmazási perspektívái iránt. A napelemek felhasználásában rejlő lehetőségek felismerése csak megalapozott tudással lehetséges. A leendő villamosmérnök-tisztek felkészülésük során viszonylag keveset foglalkoznak az energiaellátás kérdéseivel, annak ellenére, hogy a katonai elektronikus berendezések olyan komplex rendszerek, amelyeknél az energia ellátást és a fogyasztót egységes egészként kell kezelni; ez a szemlélet és az ennek alapján megvalósítható gyakorlat biztosítja a berendezések optimális teljesítményének elérését a működtetés során. A villamosmérnök-tiszteknek a berendezések megbízható üzemeltetéshez fel kell ismerniük a rendszer hibás működését, tudniuk kell a lehetséges meghibásodások okait. Ehhez elengedhetetlenül szükséges a zavarállapotok meghatározása- elv alkalmazása. Javasolom, hogy a villamosmérnök-tisztek tananyagába kerüljön be a zavarállapotok meghatározásának elve, a kulcstulajdonságok definiálása, valamint a hibamentesség biztosításához szükséges vizsgálatok oktatása. Laboratóriumi mérést dolgoztam ki, amellyel a hallgatók meghatározhatják a napelemek kulcstulajdonságait, felvehetik a napelemmodul és a napelemcellák jelleggörbéit, megmérhetik a napelemek igénybevételét és a leadott teljesítményt extrém lezárások mellett.
8 Új tudományos eredmények 1. Meghatároztam az ideális foton-elektromos energia konverzió hatásfokát a tiltottsáv-szélesség függvényében különböző hőmérsékletű feketesugárzó esetén. Meghatároztam egy-, két- és háromrétegű napelemre az optimális tiltottsávszélességet a feketesugárzó hőmérsékletének függvényében. 2. Egyszerű áramköri modellt dolgoztam ki az ideális energiakonverzió és a félvezető napelem hatásfokának a vizsgálatára. A modell segítségével jó közelítést adtam a valóságos napelem hatásfokának a tiltottsáv-szélességtől való függésére. 3. Meghatároztam a fotoelektrokémiai napelem áramköri helyettesítő képét. Az impedancia frekvenciafüggésének mérési eredményeiből kiszámítottam a helyettesítő elemértékeit, amiből a napelem paraméterei meghatározhatók. 4. Alegységek részére javaslatot tettem tábori körülmények között is működő napelem rendszerbe állítására és intelligens akkumulátortöltő kifejlesztésére.