Merkur perfekt Challenge Studijní materiály T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 1 / 9
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: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 2 / 9
Zadání: Z připravených komponent realizujte funkční kolejové vozítko, které bude primárně poháněno solární enegrií. Soutěžící mají k dispozici stavebnice Merkur (včetně motorku), 2 ks solárních článků, 3 ks tužkových baterií v pouzdře, pájku s příslušenstvím, nářadí, ruční multimetr. Součástí vozítka budou solární články a záložní baterie. Pomocí solárních článků si soutěžící musí nejdříve dobít baterie tak, aby mohly sloužit jako záložní zdroj energie při závodu. Soutěžící si musí také vytvořit přepínač pomocí součástek z Merkuru, pro rozjezd / zastavení vozítka. Primární pohon musí být realizován pomocí solárních článků. Vytvořené vozítko může mít libovolný tvar či podobu. V průběhu konstrukce si soutěžící mohou svá vozítka vyzkoušet na připravené dráze. Po uplynutí vyhrazeného času na konstrukci budou postupně všechny soutěžní týmy závodit se svými vozítky na připravené dráze. Hodnotit se bude splnění úkolu primární pohod na solární články, realizace a funkčnost přepínače, rychlost vozítka za danou dobu, ale také jeho optická stránka, provedení pájených spojů, 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! 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 poslední dobou je vynakládáno velké úsilí k nalezení stabilního zdroje obnovitelné energie. Díky tomuto úsilí se dostává do popředí oblast obnovitelných zdrojů energie. Jejich přínos není jen v šetření T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 3 / 9
přírodních zdrojů, ale také napomáhají snižovat emise skleníkových plynů a úroveň znečištění, které způsobují tepelné elektrárny. Obnovitelných zdrojů energie je velká 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. Jeho stáří se přibližně odhaduje na 4,5 miliard let. Slunce získává svojí energii termonukleární atomovou syntézou, což znamená slučování jader některých lehkých prvků za velmi vysokých teplot, při níž se z lehkých atomů vytvoří jádra těžší. Slunce tvoří ze 70 % vodík, 28 % helium a 2 % tvoří ostatní prvky. Sluneční teplota na povrchu je 5 500 C a v jádru se odhaduje jeho teplota na 15 mil. C. Za těchto podmínek má jádro atomu vodíku podstatně větší hmotnost a ztrácí svůj záporně nabitý obal elektronů, který naráží rychlostí 1 000 km/s na jiné atomy vodíku, spojuje se s nimi a přeměňuje se na hélium. Ve slunečním nitru probíhá tato reakce v astronomickém měřítku, což znamená, že za jednu sekundu se 657 mil. tun vodíku přemění na 652,5 mil. tun helia. Jejich rozdíl, což je 4,5 mil. tun vodíku, se vyzáří do vesmíru jako teplé záření s energií 33 bil. kw. Energie vyzářená jadernou fúzí obsahuje zpočátku pouze záření gama a proto je v jádru slunce naprostá tma. Teprve když fotony putují na povrch (téměř 700 000 km) se postupně transformují a přeměňují se ve viditelné světlo. Tato cesta trvá přibližně 20 tis. let, což znamená, že paprsky, které právě dopadají na sluneční povrch, vznikly ve slunci někdy koncem doby kamenné. Mnohem větší vzdálenost k Zemi, což je přibližně 150 mil. km, urazí fotony již za pouhých 8 min. Energie, kterou Země zachytí je pouze 2 10-9 z celkové energie Slunce, ale bohatě stačí na podmínění života na Zemi s velkou rezervou.[1] Pro příklad: Sluneční energie, která dopadla na Zemi 24. 10. 2015, byla 2 900 000 TWh (viz. Obr. 1). T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 4 / 9
Obrázek 1: Využití sluneční energie na naší planetě. 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 světelné energie na elektrickou pomocí křemíkových (Si) článků, proto se dále věnujeme fotoelektrickým systémům. 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 T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 5 / 9
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 2: Struktura FV článku s detailem PN přechodu. Oblast prostorového náboje vzniká na rozhraní oblastí typu P (oblast dopovaná 3. mocným prvkem, např. Bór) a oblastí typu N (oblast dopovaná 5. mocným prvkem, např. Fosfor). Dopování materiálu je důležitý proces z důvodu chtěných změn elektrických parametrů polovodičového materiálu a děje se tak pomocí difůze. V dřívějších dobách byly tyto systémy využívány pouze pro vojenské a vesmírné účely. V dnešní době jsou stále více využívány na výrobu elektrické energie, např. 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). T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 6 / 9
Obrázek 3: a) FV elektrárna, b) ostrovní systém, c) dobíjecí stanice elektromobilů. Fotovoltaika (FV) Jak již bylo řečeno, 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. Jednotlivé kroky výroby jsou poměrně náročné a jejich popis velice obsáhlý, proto není možné je do této kapitoly zahrnout. Základní stavební prvky FV systému 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 kolem 18 % účinnosti, zatímco u levnějších multikrystalických článků se se účinnost pohybuje kolem 13 %. Rozdíl mezi monokrystalickými a multikrystalickými články je patrný na první pohled, (viz obr. 4). T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 7 / 9
a) b) Obrázek 4: 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 5: FV elekrárna s detailem FV modulu. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 8 / 9
Reference [1] BALÁK, Rudolf. Nové zdroje energie. Praha: SNTL, 1989, 208 s. ISBN 04-312-89. [2] Mastný, Petr a kol. Obnovitelné zdroje elektrické energie. Praha: SNTL, 2011, 246 s. ISBN 978-80-01-04937-2. [3] VANĚK, J., KŘIVÍK, P., NOVÁK, V. Alternativní zdroje energie. Skriptum VUT Brno. 2006. [4] KŘIVÍK, P., VANĚK, J. Obnovitelné zdroje energie. Skriptum VUT Brno. 2009. [5] LIBRA, Martin. POULEK, Vladislav. Fotovoltaika, teorie i praxe využití solární energie. Praha: ISLA, 2009. 160s. ISBN 978-80-904311-0-2. [6] Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně [online]. Brno: Vysoké učení technické. Poslední aktualizace 17. 7. 2007; [cit. 2011-05-11]. Dostupné na WWW: <http://www.ueen.feec.vutbr.cz/laboratory-of-unconventionalenergyconversion/index.php>. Partneři soutěže T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 9 / 9