A földi élet folyamatainak (fotoszintézis, idojárás) 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 ezelott élt növényekbol keletkeztek, melyek fotoszintézissel építették fel anyagukat a napsugárzásból táplálkozva. A megújulónak nevezett energiaformák legtöbbször a Napból kapják energiájukat. A szélenergia a légkör egyenlotlen felmelegedése révén kialakuló nyomáskülönbségekbol ered, ami napsugárzás nélkül szintén nem létezne. A vízenergia is csak akkor létezhet, ha a folyók a csapadék miatt nagy vízhozammal egy magasabb helyrol lefelé folynak. A csapadék kialakulásáért is a Nap párologtató hatása a felelos. A biomasszában rejlo energia szintén a Nap energiáját használja. Abban különbözik a fosszilis energiától, hogy nem kell évezredeket várni, cserébe az energiasuruség is kisebb. Az emberi léptékben mérve nem kifogyó geotermikus energia, amely részben a Föld belsejében lévo elemek radioaktív bomlásából táplálkozik, az egyik példája a nem Napsugárzásból származó energiának. További ilyenek az árapály energia (Hold Föld körüli keringésébol származik), és a nukleáris energia (a Föld anyagát felépíto szupernóva-robbanásból származik az urán atommagok energiája). A Föld felszínét éro napenergia intenzitásának napi csúcsértéke (tiszta idoben) 0,7 ? 1 kW/m2 között változik, a tengerszint feletti magasság függvényében. A légkör felso szélén ez az érték 1,370 kW/m2, ezt szokás napállandónak nevezni. [1] A felszínre eso napenergia mennyiségét természetesen befolyásolja még a napszak, az idojárás, leginkább a felhozet, és az hogy milyen szögben felállított felületen vizsgáljuk a napsugárzást. A megújuló energiaforrások egyik fo problémája innen adódik, ?a rendelkezésre állás? idoben és térben erosen ingadozik. Továbbá az a szerencsétlen tulajdonságuk van sokszor, hogy akkor van sok belolük, amikor nincs igény a felhasználásukra. (Senki sem gyújt lámpát nappal, nyáron semmi szükség a melegre, sot?) Ezért raktározni kell az energiát. A megújuló energiaformák energiasurusége kisebb, mint társaiké (fosszilis, nukleáris), ezért eromuvi 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 felületrol ? ha ki tudnánk nyerni mind a 100%-ot, folyamatosan ? elo lehetne állítani. Az energia raktározására számos technológiát kidolgoztak napjainkra. Ilyenek a hidrogéncellák, akkumulátorok. A vízeromuvekben is tudják tárolni az energiát, a duzzasztókban csúcsra járatással (ilyen lett volna a Pilisben, a Prédikálószékre tervezett eromu). A biomasszában a biológiai folyamatok útján befektetett energia (a fotoszintézissel létrehozott) könnyen és jól tárolható. A fosszilis energiahordozók évezredek napenergiáját tárolják és surítik magukban. Ez a laboratóriumi gyakorlat az elektromos energia napelemmel való létrehozását (napelem) és akkumulátorokban való raktározását vizsgálja meg.
A napelemek anyaga ? miért a szilícium?
A napelemek szilícium egykristályokból készülnek, ami egyike a napjainkban nagy technológiai sikereket eléro félvezetoknek. A félvezetok gyártására korábban germániumból használtak. A germánium legnagyobb hátránya, hogy szobahomérsékleten nagy benne az ionok mozgékonysága, kristályrácsa kevésbé stabil. Nehéz germániumból hosszú idore ? több tíz év ? stabil eszközt készíteni.
A szilícium ugyancsak négy vegyértéku 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. Elonyös 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 eloállításuk során általában 3 vagy 5 vegyértéku elemekkel szennyezettek. Így két típusa van a félvezetoknek: n-típusú (5 vegyértéku elemmel szennyezett, ezért eggyel több elektron van lokálisan a szennyezodések helyén, így negatív) és a p-típusú félvezeto (3 vegyértéku elemmel szennyezett). A szilícium elterjedést a rajta kialakítható stabil, jól kezelheto oxidrétegnek köszönheti. Ebben fotokémiai eljárással ablakot nyitva, ide különbözo, 3 vagy öt vegyértéku elemeket bediffundáltatva lehet a félvezeto típusát megváltoztatni. Így alakítható ki például a dióda, ami egy olyan félvezeto eszköz, amely egy p- és egy n- típusú félvezeto átmenete.
Újabb rétegeket (szigetelo, félvezeto esetleg vezeto) létrehozva többrétegu elemek felépítése is lehetséges, tetszés szerint készítheto tranzisztor, kis kapacitású kondenzátor, vezetosáv. Ennek a technológiának (mikroelektronika) az eredménye az integrált áramkörök elterjedése, ennek köszönheto a számítástechnika szédíto fejlodése.
2.1. Muködési elv
A szabályos kristályok elektronjainak energiájára a sávszerkezet jellemzo. Az egyes atomok vegyértékelektronjaihoz a kristályban a vegyértéksáv tartozik, az elso 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 homozgás miatt könnyen meg is történhet. Ilyenkor fémekrol beszélünk. A szigetelok esetén a két sáv messze helyezkedik el egymástól. A félvezeto félúton helyezkedik el a vezetok és a szigetelok között, a vegyérték- és vezetési sávot elválasztó tiltott sáv kicsi, anyagtól függoen 1-2 eV. A homozgás 1/40 eV-os átlagos energiája nem elegendo, de a részecskék mozgásának eloszlásában mindig vannak, ugyan nagyon kicsi számban, sokkal nagyobb energiájú részek is, melyek feljuthatnak a vezetési sávba. A félvezeto kristályban, ha az tiszta és hibahely-mentes, nincs szabad töltéshordozó. Ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor azon nagyon kicsi áram folyhat csak. Azonban, ha kívülrol az egyes elektronoknak adunk annyi energiát, amennyi a tiltott sáv átlépéséhez elegendo, akkor a feljuttatott elektronok szabadon áramolhatnak a diódában. A látható fény 1-3 eV közötti energiával rendelkezo fotonjai pontosan elegendoek, és felemelhetik a töltéseket a vezetési sávba.
A napelem nagy kiterjedésu, a beeso fényre merolegesen kialakított, vékony, (átlátszó) dióda (pn átmenet). A dióda legfontosabb tulajdonsága, hogy egyenirányító. A két része (p- és n-típusú félvezetok) között ugyanis elektromos térerosség alakul ki. Ez az egyik irányban haladó elektronokat átsegíti az átmeneten, a másik irányból érkezoket viszont leállítja. A napelemben a fotonok hatására keletkezett mozgékony (delokalizált) elektronok így csak az egyik irányba tudnak mozogni, és arra el is indítja oket az említett téreroség. Így eltávolodnak a származási helyüktol 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 idoegység alatt. A napelemen mérheto 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.
2.2. 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 eloállítási áruk több mint 2-3-szor alacsonyabb a gyártási technológia egyszerubb jellege miatt.)
A galvánelem az akkumulátorok távoli ose. Itt két különbözo anyagú elektróda merül saját ionjait is tartalmazó (elektrolit) folyékony oldatba. Az elektródák felszínén az oldatban egy mikroszkopikus kettosréteg alakul ki, ami egy kondenzátorhoz hasonlítható. A kondenzátor feszültségét hívják standard-potenciálnak. Két különbözo elektróda esetén a standard-potenciálok különbsége lesz a galvánelem eredo 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. Energiaboség idején az akkumulátort feltöltjük, (egyfajta vegyületet alakítunk ki, a gépjármuvek ólomakkumulátoránál ólom-szulfidból és ólomoxidból ólmot, itt az elektrolit kénsav), ennek az energiának egy részét tudjuk felhasználni késobb, a vegyület lebontásával. Elvileg a szárazelemek is tölthetok lennének, de a kialakuló vegyület a hópihéhez hasonlóan nagyméretu kristályokká áll össze, ezek a két pólust összekötve rövidzárlatot okoznak. Ekkor a teljes energia kis helyen alakul hové, szétrobbanva az elemet. Az elektronikai? foleg a szórakoztató elektronikai eszközök elterjedésével jelentosen megnott az igény a hordozható energiaforrásokra. Eloször az elektromos hálózattal el nem látott helyeken (tanyákon) jelentek meg a telepes, (elektroncsöves) rádióvevo-készülékek, ezeket követték a (tranzisztoros) táska? és zsebrádiók. A walkman-ek és a mobiltelefonok jelentos elterjedésekor vált világossá, hogy az egyszer használatos szárazelemek a nehézfém-tartalmukkal jelentos környezeti terhelést okoznak és anyagilag is célszeru 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 töltheto 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 terhelo áramnak és a terhelési idonek a szorzata, amíg névleges feszültség fölött vagyunk. Mértékegysége az Ah, mAh (amperóra, milliamperóra) b. Forrásfeszültség ? elektromotoros ero: 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. Belso ellenállás A terheléskor jelentkezo feszültségesésnek és a terheloáramnak a hányadosa. Mértékegysége ohm. Az ideális feszültségforrás belso ellenállása nulla, a valóságban ez csak közelítoleg teljesül. e. Kisütési görbe Állandó áramú terhelés mellett a feszültségforrás kapocsfeszültségének idofüggvénye. Egy akkumulátor legfontosabb jellemzoi a (kapocs)feszültség és a(z amperóra) kapacitás. A forrásfeszültség az akkumulátor konstrukciójától függoen más és más, de idoben állandó. A felhasználás szempontjából dönto kapocsfeszültség függ a terheléstol és a feltöltöttségtol. A kisütéssel a belso ellenállás no 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 szélso esetben be sem tudjuk indítani a motort. Ezért lehet az energiaforrás (feltöltöttségi) állapotát a rövidzárási áramból megítélni. Nem túl kíméletes, de biztos módszer.