NAP

Akkumulátorok feltöltése napelem segítségével

 

1. Energiakérdés, alternatív energia

 

A földi élet folyamatainak (fotoszintézis, időjárás) energiáját túlnyomó részben – közvetve vagy közvetlenül – a Nap szolgáltatja. A civilizációk által felhasznált energiahordozók is a Napsugárzás energiáját konzerválják, vagy alakítják át legtöbbször, valamilyen formában. A fosszilis energiahordozók évezredekkel ezelőtt élt növényekből keletkeztek, melyek fotoszintézissel építették fel anyagukat a napsugárzásból táplálkozva. A megújulónak nevezett energiaformák legtöbbször a Napból kapják energiájukat. A szélenergia a légkör egyenlőtlen felmelegedése révén kialakuló nyomáskülönbségekből ered, ami napsugárzás nélkül szintén nem létezne. A vízenergia is csak akkor létezhet, ha a folyók a csapadék miatt nagy vízhozammal egy magasabb helyről lefelé folynak. A csapadék kialakulásáért is a Nap párologtató hatása a felelős. A biomasszában rejlő energia szintén a Nap energiáját használja. Abban különbözik a fosszilis energiától, hogy nem kell évezredeket várni, cserébe az energiasűrűség is kisebb. Az emberi léptékben mérve nem kifogyó geotermikus energia, amely részben a Föld belsejében lévő elemek radioaktív bomlásából táplálkozik, az egyik példája a nem Napsugárzásból származó energiának. További ilyenek az árapály energia (Hold Föld körüli keringéséből származik), és a nukleáris energia (a Föld anyagát felépítő szupernóva-robbanásból származik az urán atommagok energiája).

A Föld felszínét érő napenergia intenzitásának napi csúcsértéke (tiszta időben) 0,7 – 1 kW/m2 között változik, a tengerszint feletti magasság függvényében. A légkör felső szélén ez az érték 1,370 kW/m2, ezt szokás napállandónak nevezni. [1] A felszínre eső napenergia mennyiségét természetesen befolyásolja még a napszak, az időjárás, leginkább a felhőzet, és az hogy milyen szögben felállított felületen vizsgáljuk a napsugárzást.

A megújuló energiaforrások egyik fő problémája innen adódik, „a rendelkezésre állás” időben és térben erősen ingadozik. Továbbá az a szerencsétlen tulajdonságuk van sokszor, hogy akkor van sok belőlük, amikor nincs igény a felhasználásukra. (Senki sem gyújt lámpát nappal, nyáron semmi szükség a melegre, sőt…) Ezért raktározni kell az energiát.

A megújuló energiaformák energiasűrűsége kisebb, mint társaiké (fosszilis, nukleáris), ezért erőművi felhasználásuk nehézkes, nagy területen szétterjedt energiafarmokat kell építeni általában. A mennyiségük azonban háztartási felhasználásra kiválóan alkalmas. A lakásokban szokásos 230 V-os, 16 A-es elektromos hálózat maximális teljesítménye 3,7 kW. Ezt pusztán a Napenergia felhasználásával kb. 4 m2 felületről – ha ki tudnánk nyerni mind a 100%-ot, folyamatosan – elő lehetne állítani.

Az energia raktározására számos technológiát kidolgoztak napjainkra. Ilyenek a hidrogéncellák, akkumulátorok. A vízerőművekben is tudják tárolni az energiát, a duzzasztókban csúcsra járatással (ilyen lett volna a Pilisben, a Prédikálószékre tervezett erőmű). A biomasszában a biológiai folyamatok útján befektetett energia (a fotoszintézissel létrehozott) könnyen és jól tárolható. A fosszilis energiahordozók évezredek napenergiáját tárolják és sűrítik magukban.

Ez a laboratóriumi gyakorlat az elektromos energia napelemmel való létrehozását (napelem) és akkumulátorokban való raktározását vizsgálja meg.

 

 

2. A napelem, mint áramforrás

 

A napelemek anyaga – miért a szilícium?

A napelemek szilícium egykristályokból készülnek, ami egyike a napjainkban nagy technológiai sikereket elérő félvezetőknek. A félvezetők gyártására korábban germániumból használtak. A germánium legnagyobb hátránya, hogy szobahőmérsékleten nagy benne az ionok mozgékonysága, kristályrácsa kevésbé stabil. Nehéz germániumból hosszú időre – több tíz év – stabil eszközt készíteni.

A szilícium ugyancsak négy vegyértékű elem, ugyanolyan kristályrácsban helyezkedik el, mint a germánium és a szén a gyémántban. A szilícium a vas után az emberiség által a második legjobban megismert anyag. Előnyös tulajdonsága, hogy a földi elemek közül az egyik leggyakoribb. A tengerpartokon és sivatagokban például nagyon nagy mennyiségben található, hiszen a homok (SiO2) alkotórésze. Az egykristályok előállításuk során általában 3 vagy 5 vegyértékű elemekkel szennyezettek. Így két típusa van a félvezetőknek: n-típusú (5 vegyértékű elemmel szennyezett, ezért eggyel több elektron van lokálisan a szennyeződések helyén, így negatív) és a p-típusú félvezető (3 vegyértékű elemmel szennyezett). A szilícium elterjedést a rajta kialakítható stabil, jól kezelhető oxidrétegnek köszönheti. Ebben fotokémiai eljárással ablakot nyitva, ide különböző, 3 vagy öt vegyértékű elemeket bediffundáltatva lehet a félvezető típusát megváltoztatni. Így alakítható ki például a dióda, ami egy olyan félvezető eszköz, amely egy p- és egy n- típusú félvezető átmenete.

Újabb rétegeket (szigetelő, félvezető esetleg vezető) létrehozva többrétegű elemek felépítése is lehetséges, tetszés szerint készíthető tranzisztor, kis kapacitású kondenzátor, vezetősáv. Ennek a technológiának (mikroelektronika) az eredménye az integrált áramkörök elterjedése, ennek köszönhető a számítástechnika szédítő fejlődése.

 

Működési elv

A szabályos kristályok elektronjainak energiájára a sávszerkezet jellemző. Az egyes atomok vegyértékelektronjaihoz a kristályban a vegyértéksáv tartozik, az első betöltetlen atompálya energiájához a vezetési sáv. Csak ezekben a sávokban lehet az elektron energiája a fizika törvényei szerint. A két sáv, ha átlapolódik, akkor a vegyértéksávból szinte 0 energiával átjuthatnak az elektronok a vezetési sávba. Ez a hőmozgás miatt könnyen meg is történhet. Ilyenkor fémekről beszélünk. A szigetelők esetén a két sáv messze helyezkedik el egymástól. A félvezető félúton helyezkedik el a vezetők és a szigetelők között, a vegyérték- és vezetési sávot elválasztó tiltott sáv kicsi, anyagtól függően 1-2 eV. A hőmozgás 1/40 eV-os átlagos energiája nem elegendő, de a részecskék mozgásának eloszlásában mindig vannak, ugyan nagyon kicsi számban, sokkal nagyobb energiájú részek is, melyek feljuthatnak a vezetési sávba. A félvezető kristályban, ha az tiszta és hibahely-mentes, nincs szabad töltéshordozó. Ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor azon nagyon kicsi áram folyhat csak. Azonban, ha kívülről az egyes elektronoknak adunk annyi energiát, amennyi a tiltott sáv átlépéséhez elegendő, akkor a feljuttatott elektronok szabadon áramolhatnak a diódában. A látható fény 1-3 eV közötti energiával rendelkező fotonjai pontosan elegendőek, és felemelhetik a töltéseket a vezetési sávba.

 

A napelem nagy kiterjedésű, a beeső fényre merőlegesen kialakított, vékony, (átlátszó) dióda (pn átmenet). A dióda legfontosabb tulajdonsága, hogy egyenirányító. A két része (p- és n-típusú félvezetők) között ugyanis elektromos térerősség alakul ki. Ez az egyik irányban haladó elektronokat átsegíti az átmeneten, a másik irányból érkezőket viszont leállítja. A napelemben a fotonok hatására keletkezett mozgékony (delokalizált) elektronok így csak az egyik irányba tudnak mozogni, és arra el is indítja őket az említett térerőség. Így eltávolodnak a származási helyüktől és csak a napelemen kívül, az áramkör bezárásával jutnak vissza. Így valósul meg a töltések áramlása. Annál nagyobb áram alakul ki, minél több foton érkezett be a napelem felszínére időegység alatt. A napelemen mérhető feszültség azonban nem függ a napsugárzás intenzitásától, szilícium esetében 0,7 V (hiszen záróirányú diódáról van szó), nagyobb feszültség eléréséhez több cellát kell sorba kapcsolni.

 

A napelemek típusai

A napelemek lehetnek monokristályosok, polikristályosok és amorfok.

Az egykristály napelem hatásfoka a legjobb, 15-18%, ezek élettartama 30 év, a gyártók 25 év garanciát vállalnak rá. Ezek a legdrágábbak.

A polikristályos napelemek hatásfoka 10-13%, élettartamuk 25 év. Olcsóbbak, mint a monokristályosok.

A legolcsóbbak az amorf napelemek, de ezek hatásfoka csak 6-8%. Ezeknél a legjobb az ár/teljesítmény arány. Élettartamuk 10 év, hátrányuk, hogy 2-3-szor nagyobb felület kell ugyanakkora teljesítmény eléréséhez. (De előállítási áruk több mint 2-3-szor alacsonyabb a gyártási technológia egyszerűbb jellege miatt.)

 

 

 

 

3. Energiaraktározás – akkumulátorok

 

A galvánelem az akkumulátorok távoli őse. Itt két különböző anyagú elektróda merül saját ionjait is tartalmazó (elektrolit) folyékony oldatba. Az elektródák felszínén az oldatban egy mikroszkopikus kettősréteg alakul ki, ami egy kondenzátorhoz hasonlítható. A kondenzátor feszültségét hívják standard-potenciálnak. Két különböző elektróda esetén a standard-potenciálok különbsége lesz a galvánelem eredő elektromotoros ereje. A cella feszültségét a két elektróda és az elektrolit elektrokémiai tulajdonságai határozzák meg.

Ha a cellát áramkörbe kapcsoljuk, rajta áram halad át, és a fémionok az oldatba távoznak az elektródokon. Az áram hatására az egyik pólus anyaga feloldódik az elektrolitban.

A szárazelemben az elektrolit itatóspapírhoz hasonló, szivacsos anyagban van, vagy kocsonyás halmazállapotú.

Az akkumulátorok kémiai úton raktározzák a felvett energiát. Energiabőség idején az akkumulátort feltöltjük, (egyfajta vegyületet alakítunk ki, a gépjárművek ólomakkumulátoránál ólom-szulfidból és ólomoxidból ólmot, itt az elektrolit kénsav), ennek az energiának egy részét tudjuk felhasználni később, a vegyület lebontásával.

Elvileg a szárazelemek is tölthetők lennének, de a kialakuló vegyület a hópihéhez hasonlóan nagyméretű kristályokká áll össze, ezek a két pólust összekötve rövidzárlatot okoznak. Ekkor a teljes energia kis helyen alakul hővé, szétrobbanva az elemet.

 

Az elektronikai– főleg a szórakoztató elektronikai eszközök elterjedésével jelentősen megnőtt az igény a hordozható energiaforrásokra. Először az elektromos hálózattal el nem látott helyeken (tanyákon) jelentek meg a telepes, (elektroncsöves) rádióvevő-készülékek, ezeket követték a (tranzisztoros) táska– és zsebrádiók.

A walkman-ek és a mobiltelefonok jelentős elterjedésekor vált világossá, hogy az egyszer használatos szárazelemek a nehézfém-tartalmukkal jelentős környezeti terhelést okoznak és anyagilag is célszerű áttérni az akkumulátorok használatára. (Kevés mobiltelefon volt képes az elemes– és az akkumulátoros üzemre.) Egy akkumulátor kevesebb energiát szolgáltat, mint egy elem, de lényegesen többször tölthető újra, mint amennyivel többe kerül. Egy 250mAh-s, 9V-os akkumulátor 2000Ft alatt van, a tartós 9V-os elem 1000Ft körüli összegbe kerül.

 

4. Elektromos alapok

 

Definíciók:

 

a. (Amperóra) kapacitás:

A terhelő áramnak és a terhelési időnek a szorzata, amíg névleges feszültség fölött vagyunk. Mértékegysége az Ah, mAh (amperóra, milliamperóra)

 

b. Forrásfeszültség – elektromotoros erő:

A feszültségforrásnak az elektrokémiai folyamatok által meghatározott, terhelés nélkül mért feszültsége. Mértékegysége V (volt).

 

c. Kapocsfeszültség:

A feszültségforrás sarkain terhelés közben mért feszültség. Volt-ban mérjük, mindig kisebb, mint a forrásfeszültség.

 

d. Belső ellenállás

A terheléskor jelentkező feszültségesésnek és a terhelőáramnak a hányadosa. Mértékegysége ohm. Az ideális feszültségforrás belső ellenállása nulla, a valóságban ez csak közelítőleg teljesül.

 

e. Kisütési görbe

Állandó áramú terhelés mellett a feszültségforrás kapocsfeszültségének időfüggvénye.

 

Egy akkumulátor legfontosabb jellemzői a (kapocs)feszültség és a(z amperóra) kapacitás.

 

A forrásfeszültség az akkumulátor konstrukciójától függően más és más, de időben állandó. A felhasználás szempontjából döntő kapocsfeszültség függ a terheléstől és a feltöltöttségtől. A kisütéssel a belső ellenállás nő meg. Ezt tapasztalhatjuk meg, amikor az autó motorját indítjuk be. Feltöltött akkumulátornál csak kicsit csökken az indítózáskor a többi fogyasztóra jutó feszültség (csak kicsit csökken a lámpák fényereje), kisült akkumulátornál annyira leesik a kapocsfeszültség, hogy szélső esetben be sem tudjuk indítani a motort.

Ezért lehet az energiaforrás (feltöltöttségi) állapotát a rövidzárási áramból megítélni. Nem túl kíméletes, de biztos módszer.

 

 

5.    Töltéskor fellépő jelenségek

 

Normál töltés

Az akkumulátorokat a kapacitásuk tizedével szokás tölteni, egy 2000mAh-s cellát 200mA-el, de több mint 10 órán keresztül. Nikkel-kadmium cellák esetében ez 14-16 óra. Itt a raktározás első nehézsége, 60%-os túltöltéssel kell kezdeni. A töltőfeszültség figyelésével lehet precízen feltölteni a cellát [1].

Ha a cella kialakítása olyan, hogy elviseli a többszörös töltőáram okozta  fokozott gázfejlődést, az akkumulátort hamarabb is fel lehet tölteni. Ez a gyorstöltés.

Memóriaeffektus

Ha egy cellát nem sütünk ki egészen és újra feltöltjük, akkor az első kisütési pont után jelentősen kisebb feszültséggel hajlandó csak tovább dolgozni. A dolog magyarázata, hogy az elektródák felső rétege aktív az ismételt kisütés és töltés miatt, de az alsóbb, régebben használt rétegben nagyobb kristályok alakulnak ki. Ez a belső ellenállás megnövekedéséhez, ez pedig feszültségcsökkenéshez vezet. A dolog kisütéssel, sőt az 1,2V-os NiCd cellák esetén 0,5-0,8V-ig tartó túlsütésével orvosolható. A fenti hatás kevésbé, de jelen van a metálhidrid celláknál is. [2]

Fenntartási- vagy csepptöltés.

Minden akkumulátornak van önkisülése, ez a kapacitás 1-5 századának megfelelő töltőárammal védhető ki. Idővel itt is fellép a nagy kristályok miatt a memóriaeffektus, a tartósan ki nem sütött cellák nem adják le a töltést. Itt is, mint az előbb, a teljes kisütés segít.

Formázás

A fentiek alapján érthető, hogy a sokáig nem használt cellákat néhány teljes kisütési-feltöltési ciklussal „formába kell hozni”, utána már ki lehet szedni belőlük a névleges kapacitást.

 

6. Mérési feladatok

 

a. Vegye fel a gyakorlatvezetőtől kapott szárazelem kisütési görbéjét!

b. Ismételje meg ezt egy ceruzaakkumulátorral!

c. Vigyen be az akkuba 40mAh töltés, majd süsse ki az akkut!

d.  Mérje meg a napelemmel elérhető legnagyobb töltőáramot

e. Mérje ki a töltőáram-beesési szög függvényt!

 

7.    Otthoni feladatok

a. ábrázolja a kisütési görbéket

b. számolja ki az energiatárolás hatásfokát

c. határozza meg, mennyi idő alatt lehet feltölteni az akkumulátort napelemmel a gyakorlat körülményei között

 

8. Irodalom

 

[1] SH Atlasz, Csillagászat, 105. o.

[2] Töltő és kisütő készülékek nikkel-kadmium akkumulátorokhoz

Rádiótechnika 1993-as Évkönyv.

[3] www.gia.hu

 

http://www.sulinet.hu/tart/fncikk/Kibv/0/6020/aksi.htm

http://www.cab.u-szeged.hu/local/archi/1998II/h636610.htm

http://www.anico.hu/anico.php?z=hirek&o=hirek/hirek_02_3

http://www.anico.hu/anico.php?o=tudod-e/nicd_akku_toltese_magyar

http://www.reflect.hu/info/2005-02.pdf

http://www.anico.hu/anico.php?o=tudod-e/nikkel_metalhidrid_akku_toltese_magyar

http://www.kfki.hu/chemonet/hun/eloado/fizkem/elkem/eq00.htm

http://www.kfki.hu/chemonet/hun/eloado/fizkem/elkem/kin00.htm

 

9. Kérdések:

Mi a napállandó?

Mennyi energia nyerhető a napsütésből?

Mi a napelemek alapanyaga?

Hány fajta napelemet ismer?

Mi a kapocsfeszültség?

Mi a forrásfeszültség?

Mi a belső ellenállás?

Mit értünk egy akkumulátor kapacitásán?

Mi memóriaeffektus és mi okozza?

Hogyan védhető ki a memóriaeffektus?