Napelemes rendszer működése
Mi az a napelem?
Egy átlagos napelem az alábbiakból áll: szilikon cellák, fém keret, edzett üveg és vezetékek az áram átvitelhez. Az edzett üveg biztosít tartósságot és védelmet a szilícium cellák számára. Tisztítása időről-időre javíthat a rendszer hatásfokán.
A működési elv leegyszerűsítve: amikor a fény érintkezik a szilíciummal – egész pontosan a fény fotonjai -, akkor az elektronok mozgásba kezdenek a pozitív és negatív rétegek között és elektromos áramot hoznak létre. Ezt hívják fotovoltaikus, illetve fotovillamos hatásnak. A duplaszigetelésű solar vezetékeken keresztül táplálódik be az egyenáram (DC) a napelemes inverterekbe, ahol az inverter hatásfokának megfelelően átalakításra kerül a háztartásokban használt váltó árammá (AC). A rendszer nem tartalmaz mozgó alkatrészt, növelve ezzel az élettartamot.
Magyarországi sugárzás viszonyai
Magyarország földrajzi adottságaiból következően a Duna-Tisza köze középső területein a legnagyobb az évi teljes sugárzás kb. 1310 kWh/m2, míg a legalacsonyabb értékek az ország nyugati ill. észak-keleti részein mérhető kb. 1200 kWh/m2. A napfénytartam évi összege szintén a déli övezetben magasabb, 2150 óra körül van, míg a nyugati és észak-keleti térségben 1900 óra átlagosan. A napsugarak beesési szöge télen 18-21º és nyáron 65-68º között változik. A felszínre érkező napsugárzás energiáját megfelelő szerkezetekkel közvetlenül hő- vagy villamos energiává alakíthatjuk át. A hasznosítás különböző hatásfokkal történhet a fotovillamos berendezésekkel. A felhasználás hatásfoka a jelenlegi techikákkal 8-20% között alakulhat.
Napelemes rendszer típusok
Alapvetően két napelemes rendszer típust különböztetünk meg aszerint, hogy kapcsolódik-e az inverter a villamos hálózathoz:
Szigetüzemű rendszer
Teljesen független és önálló áramellátó rendszer, alkalmazása csak akkor ajánlott, ha nincs villamos hálózat, vagy annak kiépítése nagyon drága lenne. A megtermelt és el nem használt villamos energia tárolása akkumulátorban történik. Az akkumulátorok ára magas és az élettartamuk véges, így 5-6 évenkénti cseréjükkel számolni kell. Télen csak napelemmel nem biztosítható a 100%-os áramellátás (generátor kellhet).
Az akkumulátorban tárolt áramot egy speciális szigetüzemű inverter 230V/50Hz-re visszaalakítja, amit normál elektromos berendezésekkel használhatunk. A villamos energia tárolása rontja a hatásfokot. Az akkumulátorok miatt a rendszer rendszeres karbantartást, gondozást igényel. A téli hónapokban az akkumulátorok esetleges mélykisülése azok tönkremenetelét eredményezheti. A szigetüzemű napelemes rendszer előnye, hogy nem függ a hálózattól. Hátránya, hogy a berendezés magas költségei miatt jelenleg nem lehet versenyképesen villamos energiát előállítani vele.
Hálózatra kapcsolt
Korszerű megoldás, megfelelő méretezés esetén az egész évi áramfogyasztást kiváltására. A megtermelt és el nem használt villamos energia tárolása nem akkumulátorban történik, hanem Háztartási Méretű Kiserőmű (HMKE) esetén a kisfeszültségű villamos hálózatba kerül visszatáplálásra. Az időjárás függő áramtermelést a villamos hálózat segítségével kiegyensúlyozza, a nyári többlettermelést átveszi az áramszolgáltató (törvényi kötelezettségük). A megtermelt és hálózatra táplált villamos energiát két-irányú mérőórával lehet mérni, úgynevezett ad-vesz mérővel. Az új órát az áramszolgáltató biztosítja. Éves elszámolást kérve az áramszolgáltatótól a nyári többletet télen és éjszakánként visszavehetjük a hálózatból. A napelemek által termelt egyenáram (DC) átalakítását 230V/50Hz-re és a hálózati visszatáplálást az inverter szabályozza. Az inverter rászinkronizálódik a villamos hálózatra és áramkimaradás esetén automatikusan lekapcsol. Az áramszolgáltatók csak az általuk elfogadott és minősített invertereket fogadják el.
Hálózatra kapcsolt napelemes rendszer felépítése
A hálózatra kapcsolt napelemes rendszer felépítése és kapcsolódása:
1. A napelemek egyenáramot termelnek
2. Az inverter az egyenáramot 230V/50Hz váltakozó árammá alakítja
3. Csatlakozik a ház külső villamos rendszere és az inverter
4. A napelem által megtermelt energiát a ház elfogyasztja
5. Az oda-vissza (ad-vesz) mérő óra rögzíti az el nem fogyasztott, hálózatba visszatáplált áram és az áramszolgáltatótól átvett áram mennyiségét
Napelem típusok
Napelemeket technológiájuk alapján két fő csoportba lehet sorolni:
• kristály alapú és vékonyrétegű napelemek
Kristályos napelemek: mono- és polikristályos technológia.
A kristályos napelemek a legrégebben használt, legkiforrottabb és a legelterjedtebb technológiának számítanak, 1954 óta készül tömeggyártásban. A napelemek a kristályos technológia esetén nagy tisztaságú szilícium cellákból épülnek fel, melyek sorba kötve és vízmentesen egy üveglap és egy műanyag hátlap közé laminálva kerülnek gyártásra.
A cellák gyártási technológiája alapján megkülönböztetünk monokristályos és polikristályos cellákat.
A különbség a két technológia között a szilícium tömbök előállításában van, amiből a cellákat vágják:
• a monokristályos szilíciumot elektromos térben húzzák ki henger alakúra, és a szilícium egy tömbben
dermed meg (ezért mono, azaz “egy” kristályos).
• a polikristályos cellákat öntik négyzet alapú tömbökbe, eközben a szilícium több kristályban dermed meg (innen a poli, azaz “több” kristályos név).
A monokristályos cellák az éleit levágják a henger alakú tömbből, hogy jobban el lehessen helyezni őket a
napelem modulon. Leggazdaságosabban nyolcszög alakú cellákat lehet vágni a mono tömbökből. Így
ránézésre is meg lehet különböztetni a poli- és monokristályos cellákat és az abból készült napelemeket,
a polikristályos négyzet, a monokristályos nyolcszög alakú cellái alapján:
A gyártási eljáráson kívül a mindennapi gyakorlatban csak nagyon kevés és kismértékű különbség van a mono- és polikristályos napelemek között, hiszen végül is mindkét esetben ugyanaz a szilícium a félvezető réteg.
Néhány eltérés:
Forró égövben a monokristályos modulok kicsit jobban teljesítenek, míg északon a polikristályos teljesít jobban; illetve általában minimálisan nagyobb a hatásfoka a mono celláknak.
Közép-Európában gyakorlatilag azonos mennyiségű áramot lehet megtermelni velük ugyanakkora összteljesítmény esetén, azaz nem lehet kimutatni szignifikáns éves különbséget egy pl. 1kW-os polikristályos és egy 1kW-os monokristályos rendszer között. Így jellemzően a gyártó, az ár, a beszerezhetőség és a tetőn való elhelyezhetőség alapján szokás választani köztük.
Vékonyrétegű technológiák
A vékonyrétegű (vagy vékonyfilmes) technológiánál nem kristályos szilícium tömbökből vágnak cellákat, hanem a félvezető réteget kémiai vagy fizikai lecsapatással közvetlenül az üvegre, vagy akár más hordozó felületre viszik fel.
Ahogy a fenti képeken is látható, egységesen bevont felületről beszélünk, ahogy néhány mikron vastagságban, szinte filmrétegként viszik fel a félvezető réteget.
Mivel kisebb a hatásfokuk (alapanyagtól függően 5-12%), így családi ház tetőjére nagyon ritkán kerülnek, mert nagyobb a területi igényük a kristályos napelemekhez képest. Inkább erőművi (földre telepített) alkalmazásuk gyakoribb.
A vékonyrétegű napelemeknek jobb a hőmérsékleti együtthatója, így főként a sivatagos, nagyon meleg környezetben (tehát nem Közép-Európában) van előnye, mert nagy melegre kevésbé érzékenyek, mint a kristályos napelemek.
Léteznek még más technológiák is: pl. műholdakon használt indium-ezüst-gallium és egyéb ritka fémek ötvözete. Általában rendkívül magas gyártási költségen.
A napelemek élettartama
A gyártók legtöbbször 10 év 90%-os, illetve 25 év 80%-os teljesítménygaranciát vállalnak minden monokristályos és polikristályos Si alapú napelemre. Minden napelem elején, megnövelt fénygyûjtô tulajdonsággal rendelkezô edzett üveg nyújt megfelelő védelmet, minden időjárási körülményben.
A napelemek esetleges meghibásodásai
Talán a leggyakrabban előforduló a viharkár. Bár a napelem védőüvege edzett, de szélsősége viharnál előfordulat, hogy nem véd meg a nagyobb jégdaraboktól és a lehulló faágaktól, ebben az esetben a napelem törhet, ez sajnos nem javítható.
Árnyékolás
A cellák részleges kitakarása ellenáramú táplálást jelent az adott cellára, ez tartós esetben a cella teljesítménycsökkenését, vagy teljes meghibásodását is jelentheti. Általánosan elmondható, hogy a soros cellabekötések miatt mindig a legkisebb teljesítményű cella határozza meg a panel teljesítményét, bármelyik cella árnyékolása az egész panel jelentős teljesítménycsökkenését eredményezi. Ezért törekedjünk elkerülni az árnyékokat. Gondoljuk át merre halad a tetőn kiálló részek (pl. kémények, antennák) árnyéka a nap folyamán. Amennyiben nincs elég tetőfelület és elkerülhetetlen, hogy napközben árnyék érje a paneleket, ajánlott optimalizáló egység beépítése az adott modulokra. Ennek költségei hozzáadódnak a rendszerárhoz.
Inverter
Az inverter a hálózatra kapcsolt napelemes rendszer “szíve”: velük lehet a napelemek által termelt egyenáramot (DC) átalakítani a gépeink és a villamos hálózatokon használt váltóárammá (AC).
A hálózati inverterek fő funkciói:
• a napelemek által termelt egyenáramot váltóárammá alakítja
• a váltóáramot a villamos hálózat értékeihez szinkronizálja
• védelmi funkciókat lát el
• megjeleníti a termelt áram mennyiségét
• táveléréssel (remote, monitoring) kiegészítve mobilról és számítógépről is követhető a részletes termelés
Az inverterek méretezése
Kisebb rendszereket egyfázisú inverterekkel szokás szerelni (5kW-ig ez a jellemző). Nagyobb rendszereket pedig háromfázisú inverterekkel. Erőművi, több száz kilowattos rendszerek középfeszültségre is kapcsolható inverterekkel és trafóval működnek.
Jó minőségű hálózati inverterek általában 2kW-nál indulnak. Ennél kisebb inverterek is léteznek, de általános szabályként elmondható, hogy minél kisebb az inverter, annál drágább az 1 Wattra jutó költsége. A jó minőségű inverter a napelemet az optimális munkapontban terheli, megkeresi a napelem maximális
munkapontját (maximum power point tracking, MPPT). A napelemek optimális munkapontja változik mind a megvilágítás, mind a napelem réteg hőmérsékletének függvényében. Mivel ezek a jellemzők gyorsan változnak, ezért az MPPT folyamatosan megkeresi az optimális munkapontot.
Inverterek hatásfoka
Minden inverter adatlapján szerepel egy százalékban megadott hatásfok érték. A hatásfok százalékban azt fejezi ki, hogy mekkora veszteséggel dolgozik az inverter, azaz a bejövő egyenáramból az átalakítás során mennyi vész el.
Például.: ha a maximális hatásfok 97,0%, az ideális körülmények (tökéletes besugárzás és hőmérséklet) esetén fennálló veszteségre utalnak (3%).
Másik használatos érték az Euro-hatásfok, amely az Európában szokásos átlagos üzemelés és időjárás esetén keletkező veszteséget jelenti.
A modern inverterek 95% feletti hatásfokkal dolgoznak, a legjobb inverterek 98%-osak ma a piacon.
Inverter technológiák
Két fő technológiával épülnek a ma kapható hálózati inverterek: transzformátoros és transzformátor nélküliek. A transzformátor nélküli inverterek általában magasabb hatásfokúak, újabb technológiának számítanak. Vékonyrétegű napelemekhez azonban általában korlátozottan használhatók.
Az inverterek élettartalma
Invertereket jellemzően 5-10 év garanciával kínálják a gyártók, várható élettartamuk jellemzően 10-15 év.
Napelem rögzítése
Napelemek telepítésénél nagyon fontos a rögzítés minősége, mivel 20-30 évre tartós, erős és az
időjárásnak ellenálló rögzítéssel kell felrakni. Ezért csak hosszú távon is rozsdamentes rögzítést,
alumínium, rozsdamentes acél és megfelelő saválló réteggel bevont rögzítési elemeket használunk tetőn.
A napelemeket rögzíthetjük ferdetetőre, lapostetőre vagy földre. A megfelelő (Magyarországon 30-40 fok
közötti) dőlésszög kialakításához lapostetőn vagy földön alépítmény szükséges, így ezek költségesebb
rögzítések. Ha van jó, dél-kelet és dél-nyugat közötti tájolású ferdetető, arra való rögzítés a
leggazdaságosabb megoldás.
A napelemek felszerelésénél gondoskodni kell azok hátoldali szellőzési lehetőségéről, ugyanis növekvő
hőfoknál csökken a napelem által leadott teljesítmény.
Napelem hozamok
Mennyi megtermelt áramra számíthatunk napelemes rendszerünkből?
Leegyszerűsítve úgy számolhatunk, hogy déli irányba tájolt, 30-40 fok dőlésszögű 1 kW-os (1000 Watt
összteljesítményű) napelemes rendszer átlagosan évente 1100 kWh áramra számíthatunk. Ez egy x1,1 -es
együtthatót jelent a számításnál. Paneltől függően x1,2-ig értékekkel is szoktak számolni, de ha biztosra
akarunk menni, akkor maradjunk az 1,1-nél.
Azaz egy átlagos családi házra szerelt 2-3kW-os rendszer 2200-3300 kWh-t tud megtermelni évente.
A fenti szám országos átlagnak mondható, természetesen van kisebb eltérés országos szinten is a
besugárzástól függően.
A napelemek iránya a déltől való eltéréstől függően a következőképpen alakul:
• Dél-Keleti / Dél-Nyugati tájolásnál 93 %-os a termelés (7% veszteség) → lehet 10% veszteséggel
számolni
• Keleti / Nyugati tájolás esetén 77-78%-os termelés (22-23% veszteség) → az egyszerűség kedvéért
20% veszteség
Ha a tájolás adott akkor a következőképpen számolhatjuk ki a szükséges rendszer méretét:
1. Villanyszámlából rendszerméret:
a. ( Havi villanyszámla * 12 hó )/ 38 (Ft kWh ára) = az éves kWh óra fogyasztás
b. Éves kWh fogyasztás * tájolás / 1,11,1 (Ma(Magyarországi együttható)gyarországi együttható) = szükséges rendszer Wattban
c. Tájolás:
• 1 – Dél
• 1,2 – Kelet / Nyugat
• 1,1 – Dél-Kelet / Dél-Nyugat
d. Pl.: 10 000 Ft-os villanyszámla keleti tetővel
• 10000 * 12 = 120000 Ft / 38 = 3157,89 kWh → * 1,2 (tájolás) = 3789 kWh igény
• 3789 / 1,1 = 3444W szükséges → Ajánlott rendszerméret: 3,6kW keleti tetőre
• Fontos, hogy mindig lefedje az adott teljesítmény igényt!
2. Rendszerméretből villanyszámla kiváltás számítása:
a. Rendszer méret W-ban * Magyarországi együttható Magyarországi együttható * tájolás = éves termelt kWh
• Magyarországi együtthatóMagyarországi együttható: 1,1
• Tájolás:
• 1 – Dél
• 0,8 – Kelet / Nyugat
• 0,9 – Dél-Kelet / Dél-Nyugat
b. Éves termelt kWh * 38 Ft (kWh ára) / 12 hónap = Havi villanyköltség kiváltása Ft-ban
c. Pl.: 3kW-os rendszer dél-keleti tetőre:
• 3000W * 1,11,1 * 0,9 = 2970 kWh → * 38 Ft = 112 860 Ft → /12 hónap = 9405 Ft / hó
