Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Transkript

1 Merkur perfekt Challenge Studijní materiály T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 1 / 9

2 Název úlohy: Závod se sluncem Anotace: Úkolem týmu je nastudovat problematiku fotovoltaiky a sestavit ze stavebnice Merkur funkční kolejové vozítko, které bude primárně poháněno solární energií. Garantující ústav: Ústav elektrotechnologie Laboratoř: Technická 10, N 3.68 (třetí patro) Foto předlohy: T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 2 / 9

3 Zadání: Z připravených komponent realizujte funkční kolejové vozítko, které bude primárně poháněno solární energií. Soutěžící mají k dispozici stavebnice Merkur (včetně motorku), 2 ks solárních článků, 3 ks tužkových baterií v pouzdře, pájku s příslušenstvím, nářadí a ruční multimetr. Součástí vozítka budou solární články a záložní baterie. Pomocí solárních článků si soutěžící musí nejdříve baterie dobít tak, aby mohly sloužit jako záložní zdroj energie při závodu. Soutěžící si také musí pomocí součástek z Merkuru vytvořit přepínač pro rozjezd a zastavení vozítka. Pamatujte, že primární pohon musí být realizován pomocí solárních článků. Vytvořené vozítko může mít libovolnou podobu. V průběhu konstrukce si soutěžící mohou svá vozítka vyzkoušet na předem připravené dráze. Po uplynutí vyhrazeného času na konstrukci budou postupně všechny soutěžní týmy závodit se svými vozítky. Hodnotit se bude splnění úkolu: primární pohon na solární články, realizace a funkčnost přepínače, rychlost vozítka za danou dobu, ale také jeho konstrukční řešení, provedení pájených spojů a design. Při plnění zadání je zakázáno jakkoliv znehodnocovat a ničit použité materiály (ohýbat, stříhat, deformovat aj.) stavebnice, solární články, pájku, multimetr, baterie, pouzdro, motorek a veškeré kontakty. V opačném případě bude celý tým diskvalifikován! T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 3 / 9

4 Teoretický rozbor úlohy: Úvod Energie je veličina, bez které by dnešní moderní společnost nemohla fungovat. Nerostné bohatství jako fosilní palivo, nebo nafta je ale omezeno, proto je poslední dobou vynakládáno veliké úsilí k nalezení stabilního zdroje obnovitelné energie. Díky tomuto úsilí se dostává do popředí oblast obnovitelných zdrojů energie. Jejich přínos není jen v šetření přírodních zdrojů, ale také napomáhají snižovat emise skleníkových plynů a úroveň znečištění, které způsobují např. tepelné elektrárny. Obnovitelných zdrojů energie je spousta a každý z těchto zdrojů využívá jiný přírodní element. Jedním z těchto elementů je Slunce. Sluneční energie je základním a nezastupitelným činitelem podmiňujícím existenci na naší planetě. Sluneční energie vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce, na Zemi je dopravena zářením (radiací). Tento zdroj energie je zařazen mezi obnovitelné, protože vyčerpání zásob vodíku je předpokládáno v řádu miliard pozemských let. Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí W/m2. Ve skutečnosti není konstantní, neboť oběžná dráha Systémy, které využívají dopadající záření na zemský povrch, se nazývají solární systémy. Jedná se o zařízení, která přeměňují dopadající fotony na jiný typ energie. Můžeme je rozdělit na: Termoelektrické systémy Fotoelektrické systémy Termické solární systémy Solární tepelné elektrárny Jmenované systémy se liší fyzikálními principy a jejich typické vlastnosti je klasifikují do různých aplikačních využití. Tato úloha se zabývá přeměnou slunečního záření na T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 4 / 9

5 elektrickou energii pomocí křemíkových (Si) fotovoltaických článků, proto bude dále věnována systémům fotoelektrickým. Fotoelektrický systém Elektrická energie získaná přímou přeměnou slunečního záření je známá již z 19. století. Rozvoj fotovoltaických aplikací byl, a stále ještě je, závislý na technické úrovni a znalostech především z oblasti fyziky polovodičů. Základním principem těchto systémů je fotoelektrický jev, při němž dochází k uvolnění elektronů z látky v důsledku absorpce fotonu. Pro správnou funkci je důležité, aby foton uvolnil v látce elektron a vznikl pár elektron-díra. V kovech tento jev není možný, protože dochází k okamžité rekombinaci (zánik elektrického náboje). Pro tento účel se využívá polovodičů, ve kterých jsou elektrony a díry separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Nejjednodušší fotovoltaický článek můžeme tedy popsat jako velkoplošnou diodu s jedním PN přechodem. V ozářené oblasti PN přechodu jsou generovány nosiče, které následně difundují směrem k PN přechodu. Hustota proudu je tvořena nosiči, které byly zachyceny oblastí prostorového náboje [2]. Výše popsanou skutečnost ilustruje obr. 2. Obrázek 1: Struktura FV článku s detailem PN přechodu. T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 5 / 9

6 Oblast prostorového náboje vzniká na rozhraní oblastí typu P (oblast dopovaná trojmocným prvkem, např. Bór) a oblastí typu N (oblast dopovaná pětimocným prvkem, např. Fosfor). Dopování materiálu je důležitý proces z důvodu chtěných změn elektrických parametrů polovodičového materiálu a děje se tak pomocí difúze. V dřívějších dobách byly fotoelektrické systémy využívány pouze pro vojenské a vesmírné účely. V dnešní době jsou více využívány na výrobu elektrické energie, např. pro dobíjecí stanice elektromobilů, ostrovní systémy pro výrobu elektrické energie v separovaných oblastech od sítě, nebo jako fotovoltaické elektrárny dodávající elektrickou energii do rozvodné sítě (viz. Obr. 3). Obrázek 2: a) FV elektrárna, b) ostrovní systém, c) dobíjecí stanice elektromobilů. Fotovoltaické články Fotovoltaické články jsou vyrobeny z polovodičových materiálů. Existuje mnoho polovodičových materiálů, které splňují požadavky pro generaci elektrického proudu. Jsou to zejména Si, GaAs, CdTe, InP, AlSb a další. Dnes nejpoužívanějším materiálem z hlediska dostupnosti a ceny je křemík. Křemík se v přírodě vyskytuje většinou ve formě křemene neboli oxidu křemičitého (SiO2), z něhož se postupnými kroky chemického čištění získává dostatečně čistý křemík určený pro výrobu FV článků. Samotná výroba je dnes velice propracovaný chemicko-technologický proces, na jehož konci jsou FV články požadovaných vlastností. Fotovoltaické články na bázi křemíku se vyrábí buď jako monokrystalické nebo multikrystalické. Liší se svou účinností a cenou odvozenou od náročnosti výroby. Průmyslově vyráběné dražší monokrystalické FV články dnes dosahují T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 6 / 9

7 kolem % účinnosti přeměny sluneční energie, zatímco u levnějších multikrystalických článků se účinnost pohybuje kolem %. Rozdíl mezi monokrystalickými a multikrystalickými články je patrný na první pohled, (viz obr. 4). a) b) a) Obrázek 3: a) Monokrystalický FV článek, b) multikrystalický FV článek. Monokrystalický FV článek je tvořen pouze jedním krystalem a je vyráběn pomocí Czochralskiho metody, naproti tomu multikrystalický FV článek je složen z několika krystalických zrn a výroba multikrystalu probíhá pomocí zónového tavení v blocích.vyrobené FV články se skládají do sériově-paralelního zapojení podle požadovaného výstupního napětí a proudu. Následně jsou vloženy do sendvičové struktury a hermeticky uzavřeny v rámu. Takto uzavřená sendvičová struktura je nazývána FV modul. Dále se FV moduly propojují do řetězců (stringů) a tvoří velké FV elektrárny, jak znázorňuje následující obr 5. Obrázek 4: FV elektrárna s detailem FV modulu. T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 7 / 9

8 Zapojení fotovoltaických článků V rámci zpracovávaného úkolu obdrží každý tým dva kusy fotovoltaických mini-modulů o parametrech: Maximální výkon modulu: Pmax = 0,5 W Proud při maximálním výkonu modulu: Imax = 0,250 A Napětí při maximálním výkonu modulu: Umax = 2 V Tyto moduly lze zapojit buď sériově, nebo paralelně. Sériové zapojením zvyšuje výsledné napětí FV modulu. Proud panelu však bude stejný, jako proud jednoho článku, viz obr. 6.. Obrázek 6: Sériová kombinace fotovoltaických modulů Paralelním zapojením solárních článků zvyšuji výsledný proud panelu. Napětí panelu však bude stejné jako, napětí jednoho článku, viz obr. 7. Obrázek 7: Paralelní kombinace fotovoltaických modulů T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 8 / 9

9 Fotovoltaické články a moduly se používají k pohonu či napájení mnoha zařízení, jakými jsou například: družice, elektromotory experimentálních automobilů, lodí, letadel apod. Energii dodávají buď přímo do systému, nebo častěji slouží k dobíjení přiložených akumulátorů. V rámci úlohy jsou proto k dispozici 3 tužkové NiMH AA baterie (1,2 V), které slouží jako záložní zdroj energie. Reference [1] BALÁK, Rudolf. Nové zdroje energie. Praha: SNTL, 1989, 208 s. ISBN [2] Mastný, Petr a kol. Obnovitelné zdroje elektrické energie. Praha: SNTL, 2011, 246 s. ISBN [3] VANĚK, J., KŘIVÍK, P., NOVÁK, V. Alternativní zdroje energie. Skriptum VUT Brno [4] KŘIVÍK, P., VANĚK, J. Obnovitelné zdroje energie. Skriptum VUT Brno [5] LIBRA, Martin. POULEK, Vladislav. Fotovoltaika, teorie i praxe využití solární energie. Praha: ISLA, s. ISBN [6] Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně [online]. Brno: Vysoké učení technické. Poslední aktualizace ; [cit ]. Dostupné na WWW: < Partneři soutěže T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 9 / 9