ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΗΛΙΑΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ

Transcript

1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΗΛΙΑΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ Ζ. Σόμπολος, Θ. Παντελέων, Β. Σουφλής, Π. Γιαννούλης Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Φυσικής Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Ρίο-Πάτρα Τηλ , Fax Περίληψη Τα ηλιακά αυτοκίνητα σχεδιάζονται και υλοποιούνται έτσι ώστε να κινούνται αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια. Κατά τη διάρκεια των αγώνων η φόρτιση των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών γίνεται αποκλειστικά από ηλιακή ενέργεια. Στην εργασία αυτή γίνεται ανασκόπηση των διαφόρων συστημάτων συλλογής ηλιακής ενέργειας και μετατροπής σε ηλεκτρισμό, καθώς και της δομής που έχουν οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις αυτές. Η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας στα ελαφρά ηλεκτροκίνητα οχήματα αυτού του τύπου είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την παροχή της απαιτούμενης αυξομειούμενης ισχύος κατά τη διάρκεια της διαδρομής. Οι διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης εξετάζονται στα πλαίσια της διαχείρισης ενέργειας των οχημάτων αυτών. Αναφέρονται ακόμα οι διαφορές από τα συνήθη ηλεκτροκίνητα ή υβριδικά οχήματα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Λόγω των γνωστών προβλημάτων σχετικά με τη χρήση των ορυκτών καυσίμων εξετάζεται σοβαρά το ενδεχόμενο υλοποίησης εναλλακτικών πηγών ενέργειας για την κίνηση των οχημάτων, όπως η ηλιακή ενέργεια. Μια έκφραση αυτής της τάσης είναι οι αγώνες ηλιακών οχημάτων, που διοργανώνονται εδώ και αρκετά χρόνια στο εξωτερικό και προσελκύουν το ενδιαφέρον επιστημονικών ομάδων από αναγνωρισμένα εκπαιδευτικά ιδρύματα. Το Μάιο του 2004 στα πλαίσια της Πολιτιστικής Ολυμπιάδας διοργανώθηκε στην Ελλάδα, αγώνας ηλιακών οχημάτων με την επωνυμία «Φαέθων 2004». Ο αγώνας περιελάμβανε δύο σκέλη, έναν αγώνα ταχύτητας σε κλειστή πίστα και έναν αγώνα αντοχής. Ο αγώνας ταχύτητας αποτελούνταν από δυο ωριαία κομμάτια, ενώ για τον αγώνα αντοχής τα οχήματα έπρεπε να διανύσουν μια απόσταση 803 χμ. στο οδικό δίκτυο της χώρας. Σε αυτό το στάδιο θεωρήθηκε ότι η κατασκευή ενός ελληνικού ηλιακού οχήματος θα αποτελούσε πολύ καλή εργαστηριακή άσκηση και θα συνέβαλλε στην ευαισθητοποίηση του κοινού και την περαιτέρω ενεργοποίηση φορέων στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη χώρα μας. Η σχεδίαση διήρκεσε περίπου τρεις μήνες και ή κατασκευή άλλους τέσσερις Η κατασκευή έγινε εξολοκλήρου στο χώρο του πανεπιστημίου, ενώ οι άνθρωποι που συνέβαλλαν στην υλοποίηση αυτής της ιδέας ήταν φοιτητές και καθηγητές τριών τμημάτων (Φυσικής, Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανολόγων Μηχανικών).του Πανεπιστημίου Πατρών. Ως αποτέλεσμα, το όχημα συμμετείχε επιτυχώς στον αγώνα «Φαέθων 2004». Η συμβολή του εργαστηρίου μας αφορούσε στη φωτοβολταϊκή συστοιχία και τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές του αυτοκινήτου. Σε αυτήν την εργασία παρατίθεται ανασκόπηση των ενεργειακών συστημάτων ηλιακών οχημάτων, φωτοβολταϊκών και συσσωρευτών και η εμπειρία από τη συμμετοχή στον αγώνα με το ελληνικό ηλιακό όχημα, τον «Ερμή». 2. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Η αρχή λειτουργίας της ηλιακής γεννήτριας στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το οποίο συνίσταται στην εμφάνιση διαφοράς δυναμικού όταν φως πέσει σε υλικό, στο οποίο υπάρχει εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, που προκύπτει από κάποιο φράγμα δυναμικού. Η απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική με τη βοήθεια φωτοβολταϊκών στοιχείων εξαρτάται α) από τη φωτοβολταϊκή διάταξη, β)από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και γ) από τη θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών στοιχείων. α) Οι διατάξεις με τον καλύτερο συνδυασμό απόδοσης και αντοχής, που έχουν δοκιμαστεί μέχρι τώρα, είναι του μονοκρυσταλλικού πυριτίου (c-si) και του αρσενικούχου γαλίου (GaAs), όπως φαίνεται και στον πίνακα που ακολουθεί [1]. 1

2 Κατηγορία Φωτοβολταϊκών Απόδοση (%) Πυριτίου (Si) Si κρυσταλλικό 24,7±0,5 Si πολυκρυσταλλικό 20,3±0,5 Si λεπτού υμενίου 16,6±0,4 III-V GaAs κρυσταλλικό 25,1±0,8 GaAs λεπτού υμενίου 24,5±0,5 GaAs πολυκρυσταλλικό 18,2±0,5 InP κρυσταλλικό 21,9±0,7 Πολυεπαφών GaInP/GaAs/Ge 32,0±1,5 GaInP/GaAs 30,3 GaAs/CIS 25,8±1,3 a-si/cigs 14,6±0,7 a-si/μc-si 11,7±0,4 Λεπτών Υμενίων CIGS 18,4±0,5 CdTe 16,5±0,5 Αμόρφου /Νανοκρυσταλλικό Si Si άμορφο 9,5±0,3 Si νανοκρυσταλλικό 10,1±0,2 Φωτοχημικά Νανοδομημένα με χρωστική 8,2±0,3 Πίνακας 1: Απόδοση φωτοβολταϊκών στην επιφάνεια της Γης και σε συνθήκες: ΑΜ 1,5 και 25 C β) Η απόδοση μιας φωτοβολταϊκής διάταξης εξαρτάται από το ρεύμα βραχυκύκλωσης (i sc ), την τάση ανοικτού κυκλώματος (V oc ), τον παράγοντα πληρότητας (ff) του στοιχείου και την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (Ι S ). iphvoc ff η = IS Το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι ανάλογο της έντασης της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος μεταβάλλεται λογαριθμικά με την ένταση της ακτινοβολίας [2]. Έτσι, η απόδοση μιας διάταξης είναι διαφορετική κάθε φορά που αλλάζει η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας. Επιπλέον, η ένταση της ακτινοβολίας, που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού, μεταβάλλεται ανάλογα με το συνημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης. Στη συγκεκριμένη περίπτωση του ηλιακού οχήματος καθώς δεν είναι δυνατόν όλα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία να βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, είναι φυσικό να δέχονται διαφορετική ακτινοβολία και συνεπώς να έχουν διαφορετική απόδοση και να παράγουν διαφορετική ισχύ. Το φαινόμενο αυτό είναι ακόμη πιο έντονο κατά τη διάρκεια της κίνησής του, όπου η θέση του οχήματος ως προς τον ήλιο αλλάζει συνεχώς και πιθανώς μέρος των φωτοβολταϊκών υποφωτίζεται ή βρίσκεται σε σκιά. Σε αυτές τις περιπτώσεις απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στη συνδεσμολογία των φωτοβολταϊκών ώστε κάποια από αυτά να μην λειτουργούν ως καταναλωτές της ενέργειας που παράγουν τα υπόλοιπα. γ) Η απόδοση τέλος μεταβάλλεται με την θερμοκρασία. Η τάση ανοικτού κυκλώματος μειώνεται και το ρεύμα βραχυκύκλωσης αυξάνεται ελαφρά, συνολικά όμως, η απόδοση ελαττώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Φυσικά η μεταβολή της θερμοκρασίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά και την ταχύτητα του ανέμου. Η τελική της τιμή εξαρτάται επίσης από τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες και την ενδεχόμενη ψύξη της διάταξης. Είναι προφανές ότι, η φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι εξάρτημα εξαιρετικής σημασίας για ένα ηλιακό αυτοκίνητο, επειδή είναι η μοναδική πηγή ενέργειάς του. Επομένως, οποιαδήποτε απόπειρα διαχείρισης ενέργειας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών και από τον τρόπο που αυτά έχουν διασυνδεθεί. Το σημαντικότερο ενεργειακό χαρακτηριστικό των ηλιακών κυψελίδων είναι η απόδοσή τους. Ωστόσο, κατά τη διαδικασία επιλογής λαμβάνονται υπόψη και άλλες παράμετροι όπως το κόστος και τυχών περιορισμοί που τίθενται από τους κανονισμούς του αγώνα. Στην περίπτωση του «Ερμή» χρησιμοποιήθηκαν φωτοβολταϊκά μονοκρυσταλλικού πυριτίου (c-si) με απόδοση 15% και διαστάσεις 12.5cm 12.5cm. Εξαιτίας των περιορισμών που αφορούσαν στο μέγιστο εμβαδόν της φωτοβολταϊκής γεννήτριας (8 m 2 ) χρησιμοποιήθηκαν 480 ηλιακές κυψελίδες. Κάθε μια από αυτές είχε 4.5 Α ρεύμα λειτουργίας και 0.6 V τάση ανοικτού κυκλώματος. Έτσι, η ολική φωτοβολταϊκή διάταξη προσέφερε στο όχημα μέγιστη ισχύ που άγγιζε τα 2

3 1080 W. Τα 480 φωτοβολταϊκά που χρησιμοποιήθηκαν χωρίστηκαν σε τέσσερα τμήματα όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Αυτό έγινε για να υπαχθούν στην ίδια ομάδα στοιχεία με παραπλήσια γωνία ως προς τον ήλιο. Σχήμα 1: Διάταξη της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Τα 120 κελιά που αποτελούν κάθε τμήμα συνδέονται σε σειρά, με αποτέλεσμα να δίνουν μέγιστη τάση 72 V. Το γεγονός της σε σειρά σύνδεσης τόσο πολλών κελιών εισάγει το πρόβλημα της απώλειας ολόκληρου του τμήματος των 120 φωτοβολταϊκών στην περίπτωση που ένα από αυτά τεθεί εκτός λειτουργίας. Το ζήτημα αυτό αντιμετωπίστηκε με την παράλληλη σύνδεση διόδων περιοδικά και για κάθε 4-5 κελιά. Κατ αυτόν τον τρόπο, αν ένα φωτοβολταϊκό υποστεί βλάβη, θα τεθούν εκτός κυκλώματος μέχρι 5 κελιά. D D D Ι D Ι Σχήμα 2: Δίοδοι παράκαμψης Η επιφάνεια που θα υποδέχονταν τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια καλύφθηκε με υαλόνημα (fiberglass) για να αντιμετωπιστεί η περίπτωση βραχυκυκλώματος. Η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών στο άνω τμήμα του οχήματος έγινε με τη χρήση ειδικού ελαστομερούς, το οποίο δε θα προσέβαλλε τις επιφάνειες των κελιών και του οχήματος. Μετά την τοποθέτηση των κελιών στο αυτοκίνητο και τη σύνδεσή τους, ακολούθησε η διαδικασία της επικάλυψής τους με ειδικό πολυμερές. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ σημαντική, καθώς προσφέρει στη φωτοβολταϊκή γεννήτρια την απαραίτητη ηλεκτρική μόνωση αλλά και προστασία από μηχανικές καταπονήσεις, βροχή και σκόνη. Επιπλέον, αυτά τα ειδικά υλικά έχουν αντιανακλαστικές ιδιότητες, με αποτέλεσμα να αυξάνουν την απόδοση της διάταξης. 3

4 3. MPPTs (Maximum Power Point Trackers) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία απορροφούν την ενέργεια που προσφέρει ο ήλιος και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρική. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται για την φόρτιση των συσσωρευτών. Ο πιο απλός τρόπος σύνδεσης αυτών των δύο στοιχείων είναι η απευθείας σύνδεση των φωτοβολταϊκών με τους συσσωρευτές. Ωστόσο, αυτός ο τρόπος είναι ενεργειακά αποδοτικός μόνο στην περίπτωση που το δυναμικό της συστοιχίας είναι αντίστοιχο με το δυναμικό λειτουργίας των συσσωρευτών. H σχέση μεταξύ τάσης ρεύματος ισχύος φαίνεται στο σχήμα 3. Το ρεύμα έχει σχεδόν την ίδια τιμή για διάφορες τιμές της τάσης μέχρι ένα σημείο όπου παρατηρείται απότομη πτώση της τιμής του. Είναι προφανές ότι ο συνδυασμός ρεύματος τάσης που δίνει το φωτοβολταϊκό στοιχείο μεταβάλλεται και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις εξωτερικές συνθήκες. Από τα προαναφερθέντα συμπεραίνουμε ότι και η ισχύς εξόδου αλλάζει όπως φαίνεται και στο σχήμα. Σε αυτό το σημείο παρεμβάλλονται τα ΜΡΡΤs, τα οποία λειτουργούν σαν εξαιρετικά αποδοτικοί dc-dc μετασχηματιστές, μετατρέποντας την τάση που δίνουν τα φωτοβολταϊκά στην τάση που είναι απαραίτητη για τη φόρτιση των συσσωρευτών [3]. Επομένως, ένας ΜΡΡΤ θα πρέπει να έχει τις εξής λειτουργίες: Να εξασφαλίζει την λειτουργία του συστήματος στο σημείο μέγιστης ισχύος όταν αυτό αλλάζει λόγω των εξωτερικών συνθηκών. Να έχει υψηλή απόδοση. I ph I m I=f(V) P=g(V) P I P m V V m V oc Σχήμα 3: Τυπικό διάγραμμα I-V και P-V φωτοβολταϊκού στοιχείου Ο αριθμός των ΜΡΡΤs που είναι απαραίτητα σε κάθε περίπτωση είναι διαφορετικός. Έχουν κατασκευαστεί και αγωνιστεί οχήματα με ένα έως δέκα MPPTs. Ένας παράγοντας που επηρεάζει τα μέγιστα την επιλογή του βέλτιστου αριθμού των ΜΡΡΤs είναι η γεωμετρία του άνω τμήματος του οχήματος, που φέρει την φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Αυτό που είναι επιθυμητό είναι οι ηλιακές κυψελίδες που έχουν όμοιο προσανατολισμό (άρα και όμοια ενεργειακή απόδοση) να συνδέονται στο ίδιο MPPT. Ο «Ερμής» έχει τέσσερα MPPTs και τα 480 ηλιακά στοιχεία που αποτελούν τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια ομαδοποιούνται και συνδέονται όπως φαίνεται στα σχήματα 1 και MPPT... MPPT... MPPT Συσσωρευτές... MPPT Σχήμα 4: Διάταξη Φωτοβολταϊκών στοιχείων ΜΡΡΤ Συσσωρευτών 4

5 4. ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Ένα επιπλέον κρίσιμο δομικό στοιχείο ενός ηλεκτροκίνητου αυτοκινήτου είναι το σύστημα ηλεκτροχημικής αποθήκευσης ενέργειας. Θεωρητικά, ένα όχημα μπορεί να κινηθεί αποκλειστικά με την ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρεται από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Ωστόσο, αυτό ισχύει μόνο στην περίπτωση που είναι εξασφαλισμένη η μόνιμη και σταθερή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως γίνεται αντιληπτό, κάτι τέτοιο είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί για κάθε χρονική στιγμή, με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη η ύπαρξη μιας διάταξης που θα αποθηκεύει ενέργεια, η οποία θα γίνεται διαθέσιμη σε περιόδους κατά τις οποίες η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί για την κίνηση του οχήματος. Κατ αυτόν τον τρόπο, παρεμβάλλοντας τους ενεργειακούς συσσωρευτές μεταξύ της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και του ηλεκτροκινητήρα είναι δυνατή η άντληση ενέργειας όταν η ηλιακή δεν επαρκεί ή η αποθήκευση ενέργειας στις μπαταρίες όταν υπάρχει πλεόνασμα, αυξάνοντας σε μεγάλο βαθμό την αυτονομία του αυτοκινήτου. Οι κυριότερες παράμετροι που χαρακτηρίζουν την ποιότητα ενός συσσωρευτή είναι: η ενεργειακή του χωρητικότητα ανά μονάδα βάρους, οι απώλειες κατά τη διαδικασία φόρτισης αποφόρτισης και το επιτρεπόμενο βάθος αποφόρτισης. Η ιδανική επιλογή ως προς τους συσσωρευτές θα ήταν ένα σύστημα με υψηλή πυκνότητα ενέργειας (πράγμα που θα συντελούσε στην ελάττωση του βάρους του οχήματος) και ενεργειακή απόδοση κατά τη διαδικασία φόρτισης εκφόρτισης. Τα είδη συσσωρευτών που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς είναι: Μολύβδου Οξέως Αργύρου - Ψευδαργύρου Νικελίου - Καδμίου Νικελίου Υδρογόνου και Νικελίου Μετάλλου - Υδριδίου Λιθίου Ιόντων και Λιθίου Πολυμερών Οι τελευταίοι είναι αυτοίπου απαντώνται συχνότερα στα σύγχρονα ηλιακά οχήματα. Το λίθιο είναι το ελαφρύτερο μέταλλο με αποτέλεσμα οι συσσωρευτές που έχουν ως βάση αυτό το υλικό να έχουν αρκετά μεγάλη χωρητικότητα ανά μονάδα βάρους. Έχουν επιτευχθεί ειδικές χωρητικότητες ενέργειας μεγαλύτερες από 150Wh/Kg, ενώ το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας τους είναι αρκετά μεγάλο (-30 C - 60 C). Ακόμη, δίνουν εκατοντάδες κύκλους φόρτισης αποφόρτισης με ελάχιστη αλλαγή στην χωρητικότητά τους (βλ. Σχήμα 4). Φόρτιση: 1.0 CmA, CC/CV, 4.2V, 1/20 CmA cut-off, στους 23±3 C Εκφόρτιση: 1.0 CmA, CC, 3.0 V cut-off, στους 23±3 C 3500 Χωρητικότητα (mah) μέγιστη χωρητικότητα (3300 mah) μετά από 500 κύκλους (2780 mah) Κύκλοι (αριθμός) Σχήμα 5: Χωρητικότητας έναντι κύκλων φόρτισης εκφόρτισης (συσσωρευτές λιθίου-πολυμερών) 5

6 Εκτός από τα εγγενή χαρακτηριστικά των συσσωρευτών, υπόψη λήφθηκαν και άλλες παράμετροι όπως η ασφάλεια και το κόστος. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η επιλογή για τη διάταξη συσσωρευτών του «Ερμή» ήταν Λιθίου Πολυμερών. Συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά των μπαταριών που χρησιμοποιήθηκαν είναι: Ονομαστική τάση: 3.7 V Χωρητικότητα: 3300 mah Βάρος: 64.5 gr Θερμοκρασία λειτουργίας: 0 C 45 C για την φόρτιση και -20 C 60 C κατά την εκφόρτιση Η ειδική ενεργειακή χωρητικότητα για τους συσσωρευτές που χρησιμοποιήθηκαν είναι 188 Wh/kg. Επιπλέον, όπως φαίνεται στο σχήμα 4 η απόδοσή τους είναι εξαιρετική και μετά από 500 κύκλος φόρτισης εκφόρτισης παραμένει πάνω από 80% της αρχικής. Επομένως, κατά τη διάρκεια της κούρσας υπολογίστηκε ότι η απώλειες στην χωρητικότητα των συσσωρευτών δεν θα ξεπερνούσε το 5%. Οι συσσωρευτές λιθίου έχουν μεγάλη ευαισθησία στις υπερφορτίσεις και υποφορτίσεις, γεγονός που εγείρει ζητήματα ασφάλειας. Αυτά ξεπερνιούνται με τη χρήση ειδικού συστήματος που παρακολουθεί τη θερμοκρασία και την κατάσταση φόρτισης δεσμών συσσωρευτών και δίνει τη δυνατότητα στον οδηγό να αποσυνδέσει τα προβληματικά στοιχεία από το κύκλωμα. Η τάση σε κάθε στοιχείο μετράται, ενώ θέτεται ανώτερο και κατώτερο όριο στα 4,2V και 2,7V αντίστοιχα. Αν η τάση στα άκρα κάθε συσσωρευτή ξεπεράσει την ανώτερη ή βρεθεί κάτω από την κατώτερη τιμή, ρελέ αποσυνδέει το προβληματικό στοιχείο από το κύκλωμα. Όταν οι μπαταρίες φορτιζόμενες από την ηλιακή γεννήτρια φτάσουν τα 4,2V αποσυνδέονται, ηρεμούν σε χαμηλότερες τάσεις και συνδέονται ξανά στο κύκλωμα. Ένα επιπλέον σύστημα ελέγχει τη συνολική τάση στα άκρα του συστήματος συσσωρευτών. Για περίπτωση υπερφόρτωσης υπάρχει ασφάλεια, η οποία είναι πολύ εύκολο να αντικατασταθεί όταν η τάση επανέλθει σε αποδεκτά επίπεδα. Επίσης, σε κάθε δέσμη συσσωρευτών είναι συνδεδεμένοι ανιχνευτές θερμοκρασίας. Έτσι, υπάρχει η δυνατότητα αποσύνδεσης κάποιου στοιχείου εάν η θερμοκρασία του ξεπεράσει τους 50 C. Μια ακόμα ασφάλεια προστατεύει το σύστημα από βραχυκύκλωμα. Πρέπει να σημειωθεί ότι η καμπύλη του σχήματος 5 είναι ιδανική και ισχύει με ορισμένες προϋποθέσεις όσον αφορά στα ανώτερα και κατώτερα όρια δυναμικού, θερμοκρασιών και ρυθμού φόρτισης και εκφόρτισης (πρέπει να γίνονται με βραδύ ρυθμό). Υπάρχουν πολλές λεπτομέρειες όσον αφορά στον προγραμματισμό φόρτισης και εκφόρτισης οι οποίες δεν μπορεί να αναπτυχθούν εδώ επειδή είναι αρκετά εξειδικευμένες και για το συγκεκριμένο είδος συσσωρευτών, ακόμη σε πειραματικό στάδιο. Είσοδοι τάσης κελιού (7 ανά στοιχείο) Ανάλυση 10 bits Ανώτερο εύρος τάσης +4,5 v Θερμοκρασία (2 ανά στοιχείο) Ανάλυση 10 bits Θερμοκρασιακό εύρος 5 C 75 C Υπερφόρτιση Τάση στοιχείου 4,2 V Υποφόρτιση Τάση στοιχείου 2.7 V Υπερθέρμανση Θερμοκρασία αισθητήρα 50 C Τροφοδοσία Από μπαταρίες, ελάχιστη 6,5 V/στοιχείο μέγιστη 30 6,5 V/στοιχείο Κατανάλωση ρεύματος 8mA μέγιστη με 7 στοιχεία συνδεδεμένα Θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας 0 C 70 C 4mA στη λειτουργία power save Πίνακας 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά συστήματος ασφαλείας συσσωρευτών [5] Το σύστημα συσσωρευτών αποτελείται από τα εξής επιμέρους τμήματα: Ολοκληρωμένο σύνολο συσσωρευτών. Ηλεκτρονικό σύστημα προστασίας των μπαταριών, το οποίο περιέχεται σε ένα ελαφρύ κουτί. Ειδικό πλαίσιο από πολυμερές υλικό Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι τεχνικές προδιαγραφές των συσσωρευτών 6

7 ΙΔΙΟΤΗΤΑ ΤΙΜΕΣ Χωρητικότητα λειτουργίας 3300 ma Ονομαστική τάση 3,7 V Φόρτιση Μέγιστο ρεύμα 1,0CmA Μέγιστη τάση 4,2±0,03V Αποφόρτιση Μέγιστο ρεύμα 2,0CmA Μέγιστη τάση 3,0 V Θερμοκρασία Φόρτιση 0 C 45 C λειτουργίας Αποφόρτιση -20 C 60 C Βάρος 64,5 g Πίνακας 3: Προδιαγραφές συσσωρευτή έλξης [4] Οι κανονισμοί του αγώνα επέβαλλαν όριο 30 kg για το συγκεκριμένο τύπο συσσωρευτών. Αξίζει να σημειωθεί ότι το όριο αυτό τέθηκε ώστε να υπάρξει έλεγχος στην χωρητικότητα των συσσωρευτών των οχημάτων, η οποία έπρεπε να είναι περίπου 5 kwh. Έτσι, για συσσωρευτές αργύρου ψευδαργύρου το αντίστοιχο όριο ήταν 40 kg, καθώς τυπικά αυτού του είδους οι μπαταρίες έχουν χωρητικότητα της τάξης των 130 Wh/kg. Ένας δεύτερος περιορισμός εισήχθη από τον ηλεκτροκινητήρα με τον οποίο είναι εξοπλισμένο το αυτοκίνητο. Στην περίπτωση του «Ερμή» ο κινητήρας ήταν DC με ονομαστική τάση λειτουργίας 72 V. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή τάση λειτουργίας στον κινητήρα χρησιμοποιήθηκαν 456 συσσωρευτές, βάρους 29,5 kg και ενεργειακής απόδοσης 5567 Wh. Οι συσσωρευτές χωρίσθηκαν σε δέσμες. Η κάθε δέσμη αποτελείται από 6 μπαταρίες συνδεδεμένες παράλληλα. 19 από αυτές τις δέσμες συνδέθηκαν σε σειρά. Έτσι, η κάθε συστοιχία αποδίδει 3,7V 19 = 70,3 V και 3,3Αh 6= 19,8 Αh. Κατασκευάζονται τέσσερις τέτοιες συστοιχίες, οι οποίες ανά δύο τοποθετούνται σε δύο ειδικά πλαίσια και συνδέονται παράλληλα αποδίδοντας 70,3 V και 19,8Ah 4 = 79,2 Αh. Το ρεύμα από τις μπαταρίες δύναται να φτάσει τα 105Α σε συνεχή λειτουργία και τα 200Α για κάποια δευτερόλεπτα, ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις. Οι συσσωρευτές χωρίστηκαν σε δύο τμήματα και τοποθετήθηκαν σε δύο πλαίσια από σύνθετα υλικά (ανθρακονήματα). Στο εσωτερικό των πλαισίων και για λόγους ασφαλείας τοποθετήθηκαν ράβδοι από αλουμίνιο. Επίσης, στα πλαίσια ανοίχθηκαν οπές για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση. Για τον ίδιο σκοπό τοποθετήθηκαν ανεμιστήρες, οι οποίοι απάγουν το θερμό αέρα από το εσωτερικό των πλαισίων. Οι ανεμιστήρες τροφοδοτούνται ανεξάρτητα από σύστημα φωτοβολταϊκών που είχε τοποθετηθεί στα πλαϊνά τοιχώματα του αυτοκινήτου. Σχήμα 6: Μια εκ των δύο μονάδων συσσωρευτών 7

8 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η σχεδίαση φωτοβολταϊκής γεννήτριας και των MPPTs είναι κρίσιμη για την αποδοτική λειτουργία του ηλιακού οχήματος. Πρέπει τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, ανάλογα με την κλίση τους να ομαδοποιούνται σε μικρό αριθμό ομάδων ίσο προς τον αριθμό των MPPTs. Ενώ δεν υπάρχει κανόνας ως προς τον αριθμό, λόγοι ελάττωσης του βάρους του οχήματος μας οδηγούν στο να χρησιμοποιήσουμε μικρό αριθμό τέτοιων ομάδων. 4 6 είναι ο πλέον κατάλληλος αριθμός για φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου, ενώ για άλλους τύπους φωτοβολταϊκών ο αριθμός αυτός μπορεί να είναι πολύ διαφορετικός. Οι χρησιμοποιούμενες δίοδοι πρέπει να είναι πολύ καλής ποιότητας και να ελέγχονται μια μια πριν την τοποθέτηση. Οι συσσωρευτές πρέπει να επιβλέπονται σχολαστικά, επειδή είναι δυνατόν να αναπτυχθούν υψηλές θερμοκρασίες τόσο κατά την φόρτιση, όσο και κατά την εκφόρτιση με κίνδυνο ανάφλεξης των υλικών και καταστροφής τους, επειδή το Li είναι εξαιρετικά εύφλεκτο υλικό. Έρευνα γίνεται στην ανάπτυξη ασφαλέστερων ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και για την ελάττωση του βάρους ανά μονάδα αποθηκευμένης ενέργειας. Η εμπειρία μας έδειξε ότι είναι δυνατή η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας ακόμη και στα υβριδικά αυτοκίνητα με την ενσωμάτωση ενός μέτριου σε μέγεθος ηλιακού πλαισίου. 6. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] M.A.Green1, K. Emery, D.L.King, S. Igari W. Warta, SolarCellEfficiencyTables(Version26), Progress In Photovoltaics: Research And Applications, Vol. 13, 2005, pp [2] D. R. Carroll, The Winning Solar Car, SAE International, 2003 [3] MPPT Data Sheet, MPPT New Generation Technical Specifications, University of Applied Sciences Biel School of Engineering and Architecture, 2003 [4] Worley Data Sheet, Lithium Polymer Cell Performance, Worley Energy Cells Group, 2003 [5] Safety Unit Data Sheet, Manual for the Lithium Battery Safety Unit, Worley Energy Cells Group,