Hogyan működik egy napelemes rendszer, és mire kell figyelni a megvalósításkor?

A napelemek működési elve a fotonok és félvezetők közötti kölcsönhatásra épül. A fotonok hatására az atomok elektronjai kilökődnek, így szabaddá váló elektronok mozgása indukálja az elektromos áramot. A napelem belső szerkezete – ahol pozitív (P) és negatív (N) réteg találkozik – irányítja ezt az áramot a kívánt irányba, miközben az elektromos kontaktusok segítségével a rendszer a keletkező áramot hasznosítja. A napelem hatásfoka azt mutatja meg, hogy a beérkező sugárzási energia mekkora hányada alakul át elektromos energiává.

Már 1839-ben Edmund Becquerel fedezte fel a fotovoltaikus hatást, de csak a legutóbbi évtizedekben kezdődött intenzív kutatás a hatékonyság növelésére. A jelenlegi technológiák már 30%-os, sőt annál is nagyobb hatékonyságot képesek elérni. A hatékonyság egyik kulcstényezője az, hogy a napelem milyen széles spektrumú fényre képes reagálni. Minél szélesebb ez a spektrum, annál több energia nyerhető ki. Az anyaghasználat szintén döntő jelentőségű: bár a szilícium még mindig uralja a piacot, a vékonyfilmes technológiák – mint a gallium-arzenid, kadmium-tellurid és réz-indium-diszelenid – egyre komolyabb szerephez jutnak.

A napelemes rendszerek két fő típusa a hálózatra kapcsolt (grid-tie) és a hálózattól független (off-grid) rendszer. A hálózatra kapcsolt rendszerek előnye, hogy ha a napsütéses órák száma csökken – például télen –, az elektromos hálózat biztosítja a szükséges energiát. Ilyenkor a rendszer automatikusan átkapcsol a hálózatra. Ezen túlmenően, ha a rendszer több áramot termel, mint amennyit a háztartás felhasznál, a többletet visszatáplálhatjuk az elektromos hálózatba. Ez a nettó elszámolás (net metering), amely lehetővé teszi, hogy a szolgáltató jóváírja a visszatáplált energiát, akár pénzben, akár jövőbeli számlákon keresztül.

Az off-grid rendszerek nem csatlakoznak a központi hálózathoz, így önellátóak. Ez nagyobb szabadságot biztosít, de egyben komolyabb technikai és pénzügyi kihívásokkal is jár. A rendszer csak akkumulátorokra támaszkodhat, amelyek beszerzése és karbantartása költséges, ráadásul a rendelkezésre álló kapacitás korlátozott. Egy hosszabb borús időszak esetén az energiatartalékok kimerülhetnek.

Az egyik legelterjedtebb cellaméret a 3 x 6 hüvelykes monokristályos cella, amelyekből 36 darabot sorba kapcsolva körülbelül 18 voltot kapunk – ideális feszültség 12 voltos akkumulátorok töltéséhez. A cellák rendkívül vékonyak és törékenyek, gyakran viaszos csomagolásban érkeznek, hogy szállítás során ne sérüljenek. A viasz eltávolítása azonban időigényes. Ajánlott olyan cellákat vásárolni, amelyek már előre forrasztott, ún. tabokkal rendelkeznek, mivel ezek jelentősen megkönnyítik az összeszerelést.

A cellák méretének kiválasztása során fontos tudni, hogy a feszültség nem változik a mérettel, csak az áramerősség. A nagyobb cellák nagyobb áramerősséget biztosítanak, de nagyobb és nehezebb panelekhez vezetnek. A kisebb cellák könnyebbek, de kevesebb energiát adnak le. Cellaméretek keverése kerülendő, mert a panel teljesítményét a leggyengébb cella fogja vissza.

Fontos meg

Hogyan építhetünk egyszerű, de megbízható töltésszabályozót napelemekhez és szélgenerátorokhoz?

A projekt célja egy megbízható, mégis egyszerűen megépíthető töltésszabályozó létrehozása, amely képes kezelni kis feszültségű, megújuló energiaforrásokból (például napelemekből vagy szélgenerátorokból) származó töltést, és védi az akkumulátorokat a túl- vagy alulfeszültségtől. A kapcsolás központi elemei közé tartozik a jól ismert 7805-ös 5 voltos feszültségszabályozó IC, egy NE555 időzítő, valamint egy IRF540 típusú MOSFET, mely akár nagyobb áramok kapcsolására is képes. A rendszer egyszerűsége abban rejlik, hogy minden komponens általánosan hozzáférhető, és nem igényel precíziós alkatrészeket.

A kapcsolás lelke a két trimmerpotenciométer (R1 és R2), melyek segítségével beállíthatjuk a rendszer alsó és felső feszültséghatárait. A 10K-s töbmenetes potméterek ideálisak a finomhangoláshoz, de egyfordulatú típus is használható minimális pontosságvesztéssel. A töltésszabályozó működésének elve azon alapul, hogy ha az akkumulátor feszültsége a megadott alsó határ (például 11.9V) alá csökken, a rendszer bontja a töltést, míg ha a felső határ (például 14.9V) fölé emelkedik, lekapcsolja az energiaforrást, és szükség esetén átkapcsolja azt egy ún. dummy terhelésre.

Ez utóbbi különösen fontos szélgenerátorok esetében, amelyek folyamatos terhelést igényelnek a túlpörgés elkerülése érdekében. Amikor az akkumulátor elérte a teljes töltöttséget, a rendszer automatikusan átkapcsolja a szélgenerátort egy nagy teljesítményű ellenállásbankra, amely hőt termelve elvezeti a felesleges energiát. Ha kizárólag napelemeket használunk, akkor ez az elem kihagyható, és a dummy load csatlakozó nyitva maradhat.

A 40A-es autós relé, amely SPDT típusú, biztosítja a terhelések közötti átkapcsolást. Ez a relé túlméretezett lehet első pillantásra, ám a jövőbeni bővítések – mint például több napelem, szélgenerátor vagy nagyobb akkumulátorbank – szükségessé tehetik a nagyobb áramerősség kezelését. A rendszer hosszú távú használatát figyelembe véve már az elején érdemes ezzel a kapacitással számolni.

Az áramkör felépítése során minden ellenállás 1/8 wattos, de bármilyen 1/4 wattos vagy nagyobb értékű ellenállás is alkalmazható, ha az elérhető. Az opcionálisan beépített R8 és R9 ellenállások (330 Ohm) további védelmet nyújtanak rövidzárlatok esetén, például ha mindkét nyomógomb egyszerre van lenyomva, vagy a trimmerek elérik a végállásukat. Ezek nem szükségesek a működéshez, de javasoltak, ha tartósan terepi használatra szánjuk az eszközt.

A prototípust először breadboardon tesztelve hoztuk működésbe, majd egy strapabíróbb változat készült perfboardra építve. Az alkatrészek elrendezése kompakt, a TO-92 tokozású 78L05 feszültségszabályozó kis helyigényének köszönhetően még több hely is felszabadul az áramköri lapon. Bár ennek az IC-nek a maximális áramterhelhetősége 100 mA, ez bőven elegendő a rendszer működtetéséhez. A nagyobb TO-220 tokozású 7805-ös is használható alternatívaként, ha nem áll rendelkezésre a kisebb típus.

A kalibrálás során érdemes egy szabályozható DC tápegységet csatlakoztatni a rendszer bemenetére, majd R1 és R2 segítségével beállítani a tesztpontokon a kívánt feszültségeket (például 1.667V és 3.333V). A relé kattogása jelzi a kapcsolási pontokat – ezek közötti tartományban a rendszer stabilan egy adott állapotban marad. A két nyomógomb lehetővé teszi a kézi átkapcsolást töltés és terhelés között ebben az intervallumban.

Az egész eszköz végül egy félig vízálló dobozba került beépítésre, amely terepi használatra is alkalmas. Az átlátszó fedél előnye, hogy az állapotjelző LED-ek fényei kívülről is láthatók, így bármilyen beavatkozás nélkül ellenőrizhető a működés. A megfelelő bekötési sorrend különösen fontos: először mindig az akkumulátort kell csatlakoztatni, hogy a rendszer stabil tápellátással induljon. Ellenkező esetben a vezérlő instabilan működhet, oszcillációk léphetnek fel.

Lényeges megérteni, hogy az alacsonyabb feszültségű kapcsolási küszöbök nem jelentik feltétlenül az akkumulátor túlságosan mély kisütését. A terhelés megszűnése után a feszültség visszatérhet 12V fölé, így az akkumulátor tényleges mélysége nem jelentős.

Fontos, hogy az ilyen rendszerek megépítésénél ne törekedjünk túlzott bonyolításra. A megbízhatóság, a bővíthetőség és az egyszerűség egyensúlyát kell keresni. A biztonsági komponensek (pl. biztosítékok, védőellenállások) beépítése nemcsak ajánlott, hanem alapvető követelmény minden terepi vagy állandó telepítésre szánt eszköz esetében. A hosszú távú működés feltétele a jó minőségű csatlakozások, a helyes méretezés és a gondos kalibrálás.