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?