A napelemes rendszerek legfontosabb egységeinek bemutatása

Szerző: Véghely Tamás ^1,2,3,4

Okl. villamosmérnök

 

Bevezetés

Tisztelt Olvasóink!

Az emberiség technikai fejlődése a „napkorszakhoz” érkezett, pontosabban a napkorszak hajnalához. Sok még a tennivalónk, és a közeljövőben a technikai eszközök szintjén is rengeteg új, sosem-látott eszköz fog megjelenni. Edison 1930-as jóslata azonban jórészt bevált. A megújuló energiák – ezen belül is a legfőbb, a napenergia – hasznosítása világszerte egyre fontosabb, egyre inkább terjed. Az az ország, amely ebben nem vesz részt, vagy a kihívásokat csak marginálisan kezeli, mihamar behozhatatlanul lemarad, vagy fokozza lemaradását. Sokak szerint, a fő probléma nem is annyira a technikai berendezések és megoldások szintjén van, hanem inkább a politikai vezetés illetve a társadalmi elfogadottság nem kellő szintje az, ami gátolhatja a fejlődést, de ami ettől természetesen nem fog megállni.

Folyóiratunk vezetősége elkötelezett pártolója a megújuló energia elterjesztésének, ezért egy hosszabb cikksorozatot indítunk annak érdekében, hogy ennek társadalmi elfogadottsága erőteljesen növekedjen. Ez a közös ügyünk csak akkor lehet sikeres, ha Önök is kellő információkkal rendelkeznek. Célunk, hogy Olvasóinkat a leghitelesebb forrásból informáljuk, ezért felvettük a kapcsolatot a szakma legjelesebb képviselőivel. A következő cikkekben Önök megismerkedhetnek mindazon eszközökkel és főbb folyamatokkal melyek a napenergia forrású villamos energiaátalakításhoz szükségesek. Szeretnénk, ha esetleges kérdéseiket megosztanák szerkesztőségünkkel – erre szakértőink válaszolnak majd.

Cikksorozatunk ezen és további részeiben szeretnénk mindazon ismeretanyagot stabillá és hitelessé tenni, mely az internetes közös tudásbázis homályosabb zugaiból ered.

Ezért beszélni fogunk a sugárzás formáiról mértékegységeiről, térbeli és időbeli eloszlásáról a hasznosító eszközökről, és még sok egyéb dologról, első cikkünk azonban inkább áttekintő.

A Föld a NAP gyermeke

A Föld energiaellátása szempontjából a legnagyobb energia potenciált a „NAP-energia” jelenti, és egyben ez a földi élet alapja is.

A Nap, mely mintegy160 millió km-re van tőlünk, összetett elektromágneses sugárzást bocsát ki a világűr minden irányába, és egyben a napelemmel történő energiaátalakítás forrása is.

A sugárzás forrása, egy közel 12 millió Celsius fokon végbemenő fúziós mag folyamat. Egyszerű számításokkal igazolható, hogy a naponta hozzánk érkező energia mennyiség lényegesen több, mint amit ma az emberiség felhasznál. A NAP belsejében lévő fúziós folyamat energia hozama, emberi létezésük léptékében stabilnak és végtelennek tekinthető.

A hasznosítás egyik alapvető feltétele, hogy ez a sugárzás jusson el a Föld felszínére. A légkör külső rétegéhez érkező sugárzás visszaverődik, illetve megtörik és behatol a légkörbe, de ennek csak töredéke, 48… 51 % jut el a Föld felszínére, ez táplálja az életet. Leszármaztatott energiái (vízenergia, szél, biomassza) mindenütt jelen vannak.

A sugárzás mérésére több mértékegység is használatos. A globálsugárzás (G₀) csupán egy alapadat, energetikai szempontból sokkal inkább célszerű, az ebből leszármaztatott sugárzási formákat használni a méretezésekhez. Mintegy 15…20 féle elmélet (ESRA, ARMA stb…,) és algoritmus ismeretes a tárgykörben, ám ebből csak mintegy 3…4 az, amely mérnöki szempontból is értékelhető. A légkör és a légkörben lévő anyagok, jelentősen megváltoztatják a beérkező sugárzást. Tudományos szempontból sokféle sugárzás meghatározás létezik, ám valójában csak néhányat használunk.

A napenergia hasznosítás során a gyártási és egyéb méréseket, egy adott referenciához igazítják. Ez az STC feltételrendszer (Standard Condition, AM 1,5; 25 Celsius) mely mára világszerte elfogadottá vált. A napelemek adattábláján feltüntetett adatok csak ezzel a feltétellel érvényesek.

A napelemes rendszer fogalma és főbb elemei

Az energiatermelésben résztvevő összes elem és folyamat a rendszer részének tekintendő, mert mindegyik befolyással van az energia termelésre. Ezek három fő csoportra oszthatók:

1. Sugárzási alapérték: a napsugárzás és a leszármaztatott értékek
2. Technikai („hardver”) jellegű egységek: napelem-csatlakozó/kábel-elektromos/villamos átalakítók
3. illetve szoftver (SW) jellegű dolgok (folyamatok, elrendezések, változások, hatások, öregedési folyamatok)

A méretezésnél (tájolás) fontos továbbá:

• benapozás fogalma, ennek időbeli és térbeli változása, eltérések a Föld különböző helyein,
• az elhelyezés térbeli szögeinek ismerete (elsősorban az Azimut)
• a Milankovics ciklusok ismerete

A rendszer elemek

• Energia forrás(ok) napelem (szél, genset, víz)
• Inverter(ek) transzformátor
• Töltésszabályozás
• Akkumulátor
• Fogyasztók
• Állvány és rögzítő elemek
• Kábel
• Csatlakozók
• Távadat feldolgozás
• Kiegészítők
  • Védelmi rendszerek
  • Érintésvédelem
  • Földelés
  • Villám és túlfeszültség védelem
  • vagyonvédelem
• Nem eszköz jellegű rendszerelemek
  • Időjárás
  • Üzemeltetési szabályozási előírások
  • Jogszabályok
  • Humán tényező (Murphy)
  • Havária esetek

A napelem, mint rendszerelem

A napelemet 1954 óta ismerjük, tömeges, ipari alkalmazása a 1970-es évektől kezdődött.

A napelem rendszerben történő alkalmazásához feltétlenül szükséges a napelem, mint elektromos/villamos eszköz alapos ismerete. Sok esetben fordul elő, hogy a napelemek adattábláját félre vagy helytelenül értelmezik és ebből utána kellemetlen bonyadalmak, irreális hozambecslések erednek. Az alap információk helyes, korrekt értelmezése nagymértékben befolyásolja a megtérülés számításokat. A napelemek jellemző paramétereit a szelet alapú és a vékonyréteg (a_Si) jellegzetes technológián keresztül az alábbiakban mutatjuk be (zárójelben az angol megnevezés).

W_p Névleges „csúcs” teljesítmény STC feltételek esetén

Angol irodalom: Rated power at STC

U_{_oc} Üresjárási feszültség (V_{_oc)}

U_{_mp} Munkaponti feszültség  (V_{_mp)}

U_{_sysmod} legmagasabb rendszerfeszültség az egyen oldalon (V_{_sysmod)}

U_{_str_min} Napelem string feszültsége DC (V_{_str_min} )

U_{_str_max} Napelem string feszültsége DC (V_{_str_max})

I_{_sc} Rövidzárási áram

I_{_mp} Munkaponti áram

T_{k_(Vmp)} Hőmérsékleti együttható (feszültség) (tip.  -0,34%/K)

T_{k_(Imp)} Hőmérsékleti együttható (áram)

T_{k_(P)} Hőmérsékleti együttható (teljesítmény)  (tip.  -0,34%/K)

NOCT Névleges működési hőmérséklet tartomány

LPG korlátozott teljesítmény garancia (limited power guarantee)

WRG gyártóművi garancia (workmanship warrantee)

FF Kitöltési tényező (fill factor)

PR Hatékonysági tényező (termelt energia/feltett teljesítmény aránya)

STC nemzetközileg elfogadott feltétel rendszer. (STC jelentése: AM1,5 ;  G_o=1000 W/m², T=25 Cels)

A napelemek főbb villamos és egyéb paraméterei a főbb technológiák szerint:

1. Táblázat A piacot uraló két főbb technológia alapvető jellemzői
2. A továbbiakban szükségesnek látjuk, hogy felhívjuk a figyelmet néhány téves értelmezésre.
   1. A modulok adattábláján szereplő Wp, (watt-peak) nevű adat nem csúcsteljesítmény jelent, hanem egy névleges átlagteljesítményt ( P nominal rated, at STC).
   2. Különféle számítások esetén szinte mindeni tévesen értelmezi a napelem, katalógusban megadott felületét, és ezzel úgy számolnak, mintha igazi felület lenne. Ez nem így van. A következmények súlyosak: a hozamok téves túlbecslése, irreális megtérülési idők.
   3. Különféle számítások esetén téves értelmezik a besugárzást és a besugárzási értékeket. Többnyire kevéssé pontos internetes adatbázisokat használnak melyek egyáltalán nem hitelesek. A besugárzás és a benapozottság nem ugyanaz a fogalom! A hozamszámítások esetében a benapozottságot kell figyelembe venni!
   4. A tervezés és a telepítés során, Magyarországon, szinte mindenki tévesen ítéli meg, hogy mi az optimális elhelyezési szög. A legnagyobb tévedéseket az emelési szög esetében követik el. Mindenhol a helyi szélességi körnek megfelelően kell a telepítési szögeket meghatározni. Korrekciót lehet alkalmazni az optimalizálási kívánalmak szerint.
   5. A napelemek rendszerek esetében sokszor keverednek a napelem, a napelem cella, panel, stb., fogalmai. A napelem villamos alapegysége a cella (napelem cella) mely egyben a geometriai alapegység is. A cella szeletből (angolul wafer) készül. A szeletet öntecsből (angolul ingot) állítják elő. Az öntecs többnyire a természetben bányászott szilícium alapanyagból (Si), szilícium kohászati módszerekkel, olvasztás, tisztítás át-, vagy újrakristályosítás folyamatokkal készül. A teljes gyártási folyamat tehát igen sok lépésből tevődik össze. A napelemre több elnevezés használatos (modul, PV modul, foto-voltaikus elem, „napcella”, napmodul…,) magyar nyelven a napelem megnevezést javasoljuk.
   6. A piacot ma uraló napelemek többféle technológiával készülnek, a két legfőbb gyártási folyamat a szelet alapú és a vékonyréteg. A „cella” mint elektromos alapegység mindkét esetben megtalálható, csak formájuk más.

[vc_gallery type=”image_grid” images=”27147″ img_size=”480×360″]

¹ Gaia-Energio kft., www.gaiasolar.com ; EU-Solar Zrt., https://www.eu-solar.hu/ ;

² Az ISES a Nemzetközi Napenergia Társaság Tagja (1997 –től ) www.ises.org

³ AZ MNT a Magyar Napenergia Társaság tagja (1997- től)

⁴ Az MMESZ a Magyar Megújuló Energia Szövetség alapító tagja, az Elnökség tagja

Félvezető szelet alapú (bulk-Si) technológiákba az alábbi csoportok tartoznak:

• kristályos cSi (c_Si, vagy monokristályos)
• polikristályos p_Si (ezen belül változatok)
• GaAs alapú (GaInAs, főleg űrtechnológia)
• több-átmenetű (Multi junction) szerkezetek, például a HIT cella stb.

A vékonyréteg (thin film, TFPV) technológiák megnevezés is gyűjtőcsoport:

• amorf szilicium (a_Si)
• Cadmium Tellurid (CdTe)
• módosított amorf rétegek
• Réz Indium diSelenid CIS / CIGS

A csoporton belül közös jellemzőjük, hogy olcsó (többnyire szigetelő alapú) hordozón készülnek, és csak annyi anyagot visznek fel a hordozó felületére, mely szükséges és elegendő a  „fotovillamos effektus” azaz a napelem előállításához. Ez általában 0,6 …. 1 mikron körüli érték. (Az emberi hajszál mintegy 60 …. 80 mikron).

A szelet alapú technológia esetében, ez a nagyfokú anyagtakarékosság nem lehetséges. Ezért a vékonyréteg napelemek olcsóbbak. A szelet alapú technológiában komoly fejlesztések folynak a vastagság csökkentésére, mely kezdetben 400 mikron volt, majd 250, és jelenleg mintegy 150 … 180 mikron körül van. Így a szelet olcsóbb lett, de a vékonyabb szelet sérülékenyebb, repedésekre érzékeny, ezért hamarabb tönkremegy. Egy adott gyártó csak akkor tud versenyképesebb, vékonyabb cellát készíteni, ha jelentősen szigorítja a gyártási technológiát. Ez a távolkeleti gyártók többségénél nem valósul meg. A gyanútlan vásárló (és a napelemes beruházás) sorsa ezért szinte már a vásárláskor eldől, többnyire kedvezőtlen előjellel. A végeredményt borítékolhatjuk.

A gyártási végellenőrzés kimeneti dokumentuma a mérési adatlap.[vc_gallery type=”image_grid” images=”27148″ img_size=”563×451″ el_class=”kozepre”]A napelem áramgenerátoros helyettesítő képe:[vc_single_image image=”27149″ image_position=”normal-align-center”]Az I-V karakterisztika és a jellegzetes pontok[vc_single_image image=”27150″ image_position=”normal-align-center”]A napelem fontos jellemzője a kitöltési tényező (angolul FILL-factor, FF)

[vc_single_image image=”27152″ img_size=”blog-thumbnail” image_position=”normal-align-center”]A napelemek időszakos energia forrásként tekinthetők, kimenetük egyenáram, egyenfeszültség.

A jelleggörbék erős függést mutatnak a megvilágítás és hőmérséklet függvényében.

Az a_Si napelemek, noha hatásfokuk a legalacsonyabb mégis a legtöbb energiát termelik, azonos névleges teljesítményre (Wp-re) vonatkoztatva! A viselkedések magyarázata a napelemek felépítésében rejlik.

 

A napelemek villamos kapcsolása

A napelemek sorosan és párhuzamosan kapcsolhatók a villamosság ismert szabályai és törvényszerűsége értelmében. Figyelembe kell venni az adattábla értékeit. A V_sys feszültség abszolút maximum, túllépni nem szabad. Az eredő feszültség és áram a soros illetve párhuzamos kapcsolások szabályai szerint változik. Alkalmazandó főbb szabályok: Ohm törvény, Kirchoff I-II törvények.

Az összekapcsolt napelemeket többféle elnevezéssel jelöljük:

A cella, a napelemek cellákból épülnek fel, ez az alapvető villamos egység. A cellák sorosan és/vagy párhuzamosan vannak kötve.

Füzér (String) – több sorosan kapcsolt napelem együttes neve, egy napelemben ma már mintegy 72 cella található.

Mező (Field vagy Array) több soros füzér párhuzamos kapcsolása (de használatos magára geometriai elrendezésre is

Napelem generátor az összes összekapcsolt napelem rendszer egység

Napelem erőmű (SPP) a teljes rendszer

 

Az inverter mint rendszerelem 

A napelemből származó energia formája nem alkalmas további felhasználásra, ezért ezeket átalakítani szükséges. Az inverter többnyire energia átalakítóként üzemel (hálózati visszatáplálás). Sziget üzem esetén az akkumulátor egyen feszültéségéből váltakozó áramot állít elő. Hálózati interaktív illetve grid-backup (hálózati forrású háttértartalék) típusú rendszerek esetében energia-logisztikai feladatokat is ellát. Az invertereket többféle szempont alapján szokás osztályozni.

• A hálózattal való kapcsolat milyensége
• A rendszerben elfoglalt feladata
• Teljesítmény
• Jelalak
• Fázis-szám
• Transzformátoros vagy anélküli
• Be és kimeneti feszültségek
• Vezérlés
• Egyéb

Az inverter helyes megválasztása a rendszerkoncepció és rendszerterv kulcsfontosságú kérdése.

Az alapvető rendszertípusok, a rendszerek osztályozása

Alkalmazási területek hely/elhelyezés szerint

• Háztető telepítések – ROOF
• Épületintegrációs alkalmazás (homlokzat, üvegtető, erkély..,) – BIPV
• Földi állványzatokra telepített – GROUND
• Eszközbe épített megoldások – EIPV (electronic integrated)
• Járműbe épített rendszerek – VIPV (vehicle and traffic)
• Földfelszíni alkalmazás – Terrestial
• Űrtechnikai alkalmazás  – SPACE
• Különleges alkalmazások

Alkalmazási területek a rendszer összetettsége szerint

• Csak NAPENERGIA rendszer (monovalens)
• Napelem – szél rendszer (bivalens)
• Nagykomplexitású rendszerek
• Víznyerő energiaellátások (nap/ nap-szél)
• NAP-SZÉL-Genset (trivalens)
• Nap-szél-genset-hálózat-CHP
• Kulcskérdés: a multivalens rendszerek vezérelhetősége

Az egyik legfontosabb típus a hálózatra visszatápláló rendszer. Főbb rendszer elemei, a napelem és/vagy szélgenerátor, inverter. A rendszer által gyűjtött energia teljes mértékben visszatáplálásra kerül a hálózatba. A fogyasztó a megszokott hálózati feszültséget használja az eszközeihez. A fogyasztó az áramszolgáltatóval kötött szerződés szerint fizet, illetve kap pénzt a termelt illetve fogyasztott energia után. Ez a forma 2007-óta Magyarországon is létezik (HMKE, saldo).

A rendszer kialakításának folyamata 

• Energia igény meghatározás (többféle módszer)
• Egyéb követelmények
• Az alkalmazás és a rendszer típus meghatározása
• Rendszerelemek meghatározása
• Tervezések (blokk, engedélyes, kiviteli, egyéb)

Az elhelyezés körülményei

• Irányítottság
• Dőlésszög
• Árnyék, és domborzati hatások
• A felület elszennyeződési lehetőségei (állatok, időjárás, öntisztulás)
• Környezeti hőmérséklet alakulása

Az időjárási viszonyok befolyása a rendszertervezésre

• Sivatagi, trópusi, mérsékelt égövi, magashegyi klíma
• Tengerpart (sós agresszív hatás)
• Helyi és időszakos hatások (felhő, pára, vihar)

Az energia termelő képesség több tényező függvénye.

1. a kiválasztott napelem fizikai, technikai jellemzői
2. az inverter tulajdonságai
3. egyéb rendszerelemek tulajdonságai
4. a telepítés földrajzi koordinátája
5. az elhelyezés módja
6. a hely égövi meteorológiai és lokális jellemzői
7. a műszaki eszközök időbeli változása
8. állatvilág hatásai
9. nem várt események

Az alábbiakban bemutatjuk egy napelemes rendszer teljes energiaátalakítási folyamatát. A beérkező (100 %) energiából a rendszer, a veszteségek miatt, csak mintegy 65… 70 %-ot képes előállítani.[vc_single_image image=”27153″ image_position=”normal-align-center”]