Napelemes rendszerek

Történet:
– Bell Laboratories, 1954: kifejlesztették az elsõ napcellát félvezetõ eszközök selejtjeibõl
– Beindult a napelem-célú gyártás
 -A 80-as években megindult a napelemek lakossági felhasználása
– A tömeggyártás miatt a gyártási költségek csökkennek, így az ár is csökken
– A 90-es években robbanásszerû fejlõdés a hálózati visszatáplálás eredményeként

Napelemek mûködése
A napelemek mûködésének alapja, hogy a fénysugárzás fotonjai kimozdítják a félvezetõ elektronjait a kötéseikbõl, így elektron-lyuk párok keletkeznek, ezt az elektrontöbbletet pedig elektromos vezetõkkel lehet a napelem felületérõl elvezetni a fogyasztókhoz vagy az akkumulátorokhoz.
Az elektron-lyuk párok szétválasztása három alapvetõ módon történik:
– Azonos félvezetõanyag eltérõ szennyezésével kialakított rétegekkel
– Eltérõ anyagú félvezetõ rétegekkel
– Fém és félvezetõ rétegeivel

Egy cella körülbelül 0,5 V-ot tud elõállítani,
– sorbakötés: magasabb feszültség
– párhuzamos: összeadódnak az áramok

Napelemtípusok:

kristályos, vékonyréteg

Vékonyréteg-technológia
A vékonyréteg napelemek kb. két évtizedes múltra tekinthetnek vissza. Ezek a napelemek úgy készülnek, hogy egy hordozóra (ami lehet üveglap, fém- vagy mûanyagfólia), visznek fel úgy félvezetõ rétegeket, hogy azokból kialakuljanak a szükséges p-n átmenetek, és azok úgy kapcsolódjanak egymáshoz, hogy kiadják a megfelelõ feszültséget és áramerõsséget. Vannak egy-, ill. többátmenetes modulok, ilyenkor a p-n átmenetek számáról beszélünk.

Elõnyei:
– Olcsóbb a kristályos technológiáknál
– Kevesebb anyag szükséges hozzá
– Szélesebb fényspektrumot hasznosít
– Szórt fényben is produkál energiát
– Könnyen készíthetõk hajlékony napelemek
– Homogén felületû
– Könnyen készíthetõk különbözõ mértékben átlátszó panelek
– Kevésbé érzékeny a hõmérsékletre

Hátrányai:
– Gyorsabb degradáció (teljesítménycsökkenés)
– Kisebb hatásfok, nagyobb felületigény
– Kiviteltõl függõen telepítéskor sérülékenyebb lehet

Jellemzõ típusai:
– Amorf szilícium (a-Si) – talán ez a legelterjedtebb
– Kadmium-tellurid (Cd-Te) – a kadmium mérgezõ! Veszélyes hulladék
– CIS, CIGS – kísérleti fázis, ígéretes, mert ötvözné a két technológia elõnyeit

Kristályos technológia
– Kiforrott, régi technológia
– Kipróbált, garantáltan hosszú élettartam
– Magas hatásfok
Monokristály
Polykristály
– Legmagasabb hatásfok
– Legkisebb felületigény
– Legmagasabb ár
– Magas hatásfok
– Közepes felületigény
– Legjobb ár/teljesítmény arány

Fejlesztések
– mûanyagalapú napelemek

– organikus napelemek (algák stb.)

– koncentrátorok

Napelemek fontos adatai
– Névleges teljesítmény: wattban, 25 °C, 1000 W/m2 napsütésnél
– Üresjárási feszültség: voltban, 25 °C, 1000 W/m2 napsütésnél
– Rövidzárási áram: amperben, 25 °C, 1000 W/m2 napsütésnél
– Hatásfok: %-ban
– Degradáció: az évek során mennyivel csökken a termelt energia

Napelemes rendszerek típusai:
– hálózatra kapcsolt
– egyszerû visszatáplálós
– UPS rendszerrel kiegészített
– szigetüzemû
– egyéb speciális rendszerek (pl. szivattyú, korrózióvédelem stb.)

Hálózatra kapcsolt rendszerek
Fõbb jellemzõk:
+ együttmûködnek a hálózattal
+ csökkentik a villanyszámlát
+ “korlátlan” energia, nincs teljesítménykorlát
+ karbantartásmentes
+ automatikus mûködés
– nem ad energiát, ha a hálózaton nincs energia
Hálózatra kapcsolt rendszer + UPS
+ hálózatra kapcsoltan az összes fenti elõny
+ hálózatkimaradás esetén is ad energiát
– költséges
– az akkumulátorok relatíve “rövid” élettartama
– UPS módban van teljesítménykorlát

Szigetüzemû rendszerek
+ hálózattól függetlenül, önállóan mûködnek
– költséges
– korlátozott teljesítmény áll rendelkezésre
– korlátozott energiamennyiség áll rendelkezésre
– az akkuk (és ha van generátor, az is) karbantartásra szorulnak

Egyéb jellemzõen elõforduló speciális rendszerek

Napelemes rendszer elemei
Napelem Inverter Töltésvezérlõ
Kábelek, csatlakozók
Tetõre szerelõ készletek
Akkumulátor

Napelemek
– Wattonkénti áruk általában a teljesítmény csökkenésével növekszik
– A hatásfokkal arányos a felület (a-Si: 5-6%, poly: 14%, mono: 16%)
– A keret nélkülieknél (vékonyréteg) nehezebb a felszerelés, több a járulékos költség
– A tetõn kezelhetõ méretû legyen

Amire figyelni kell
– ki a gyártó
– kivitel (keret, vezetékek, forrasztások, sérülések stb.)
– minõsítések (TÜV, CE stb.)
– villamos jellemzõket megmérni
– teljesítménygarancia

Inverterek
– Milyen rendszerhez kellenek?
– Hálózatra kapcsolt
– Szigetüzemû
– Magyarország: sokféle típus
– engedélyek
– Sinus jelalak!
– Mekkora a teljesítmény?
– Van-e benne akkumulátortöltõ?
– 1 vagy 3 fázis?
– Mekkora a teljesítménye?
– Illeszteni hozzá a napelemeket (stringek)
– 1 vagy 3 fázis?
– Szükség van-e backupra?

Napelemek illesztése
Nagy rendszernél osztjuk-e a teljesítményt?
Garancia, szervizháttér
Opcionális tartozékok:
– kommunikáció
– monitoring

Töltésvezérlõk
– Töltõáramok, napelem-oldalon, akku-oldalon
– Megfelelõ mennyiségû napelemhez méretezni
– Söntös vagy MPPT-s?
– Állítható paraméterek
– “Extrák”

Akkumulátorok
– Az autóakkumulátor nem alkalmas!!!
– Solar, Deep Cycle, Cycle stb. elnevezések
– Töltõfeszültségek, töltõáramok a gyári ajánlások szerint
– Élettartam (ciklusszám), karbantartási igény
– Ár/teljesítmény arány szerint választani

Típusok:
– Savas, lúgos
– Zárt
– Zselés
– NiMh, lítiumos stb.

Kábelek, csatlakozók
– Idõjárásállóság: UV, víz
– Mechanikai szilárdság: kopás, szétcsúszás
– MC3, MC4
– Kábelek vastagsága => veszteségekre méretezni

Tetõszerelõ készletek
– Korrózióállóság
– Kontaktkorrózió
– Szerelhetõség
– Ár
– Tetõszigetelés épségének megõrzése

Rendszertelepítés szempontjai
– Déli irányba nézzenek a napelemek
– Ideális dõlésszög 30-45 fok
– Árnyékmentes helyen
– DC kábelek rövidek, megfelelõen vastagok
– Inverter elhelyezés
– Lapos tetõn fûrészfogas elhelyezésnél ne árnyékolják egymást a napelemek (a legalacsonyabb téli nap 19°-ban esik be)

Hálózatra kapcsolt rendszer méretezése

1. mennyi az éves energiafogyasztás (kWh-ban)? A villanyszámlákról megtudható az egész évre kiadódó fogyasztás.

2. ennek mekkora részét szeretnénk megtermelni?

3. ehhez mekkora teljesítményû rendszer kell optimális esetben?
Ökölszabály: 1 kW névleges teljesítmény termel kb. 1000 kWh energiát egy év alatt. Pl: az éves fogyasztás 3600 kWh => 3,6 kW-os rendszerre van szükségünk. Ennek 85%-át szeretnénk megtermelni: 3,6 kW x 0,85 = 3,06 kW, tehét egy 3 kW-os rendszer lenne jó optimális esetben.

4. milyen szorzókkal kell ezt megnövelni (nem pontosan déli tájolás, nem optimális dõlésszög)?
Az optimális dõlésszög 35° körüli. Ettõl eltérve a teljesítménycsökkenés: ±10° => 1-2%, ±20° => 3-4%, ±30° => 9-10% veszteség.
Déli tájolástól való eltérés eredménye: DK, DNY => 10% veszteség
K, NY => 30-35% veszteség
Pl. a tetõnk 45° dõlésû és DK-i irányba néz: 3,06 kW x 1,01 x 1,1 = 3,4 kW-ra van szükségünk.

5. hogyan illeszthetõ ez a rendszer a közüzemi hálózathoz?
– Egy, illetve 3 fázisra szeretnénk táplálni?
– Mi a rendelkezésre állási teljesítmény?
– Melyik áramszolgáltató az illetékes?

6. Adott teljesítményû rendszerhez a megfelelõ napelemek kiválasztása
Elhelyezhetõség a tetõn, ár, egyéb szempontok.

7. A stringek megtervezése, inverterhez való illesztése, csoportosításuk, összekötésük a tetõn
Egyforma stringek kellenek. Illeszkedjenek az inverter napelem-oldali teljesítmény-, feszültség- és áramadataihoz!

Szigetüzemû rendszer méretezése

1. Milyen fogyasztókat szeretnénk energiával ellátni?
– Fogyasztók jellege: Lámpák? Motorok? Kapcsolóüzemû tápegységek? stb.
– Mekkora teljesítményûek ezek a fogyasztók (egyenként minden)?

2. Milyenek a használati szokások (üzemidõk, üres idõk, készülékekre lebontva).
– mekkora az a teljesítmény, mikor az elõforduló legtöbb dolog mûködik egyszerre?
– naponta hasonló a fogyasztás? Akkor mennyi energia (teljesítmény x üzemidõ) fogy egy nap?
– vannak szünnapok a fogyasztásban? Pl. egy hétvégi háznál hétfõtõl-péntekig?

3. Inverter teljesítményének meghatározása
– bírnia kell a legnagyobb teljesítményigény kielégítését folyamatosan
– bírnia kell az egyes fogyasztók indulási “lökéseit” (motorok, egyes tápegységek) => túlméretezés

4. Akkumulátortelep típusának, kapacitásának meghatározása
– a kivenni szándékozott energiamennyiség ismeretében
– hány %-ban szeretnénk lemeríteni az akkumulátorokat?
– hány nap tartalékot szeretnénk képezni?
Pl. 1 nap 1 kWh energiát veszünk ki, 50%-ig szeretnénk csak lemeríteni az akkukat, és 3 nap tartalékot szeretnénk képezni. 1 kWh x 3/0,5 = 6 kWh 6000 Wh/12 V = 500 Ah, ha 12 V-os a rendszerünk, akkor pl. 5 db 100 Ah-s akku jó lehet ide. Ha 24 V-os, akkor a 12 V-os akkukat kettesével sorba kell kötni, 6 db 85 Ah-s jó lehet ide.

5. A szükséges napelemek teljesítményének kalkulálása
– ide is érvényes az 1 kW napelem 1000 kWh éves termelés + a korrekciók, de mi van a szezonális használattal?
Adott helyre, adott idõszakra vonatkoztatott napsütéses órák száma lehet a kiinduló adat.
Pl. adott helyen számolhatunk 5 teljes napsütéses órával és 1 kWh energiát szeretnénk termelni. Aznap: 1000/5 = 200 W, akkor azt egy 200 W-os, megfelelõen elhelyezett napelemmel tehetjük meg.

A REHAU szakmai napján elhangzott elõadás alapján.

Mokry Tamás