A nap- és szélenergia kiaknázásának lehetőségei a gyakorlatban III.

2006/6. lapszám | netadmin |  4445 |

Figylem! Ez a cikk 20 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A nap- és szélenergia kiaknázásának lehetőségei a gyakorlatban III. A napelemtáblák energiahozamának optimalizálása Az adott napelem-modul által begyűjthető elektromos energia az alkalmazás helyén megjelenő sugárzás függvénye. Hazánk területén a ...

A nap- és szélenergia kiaknázásának lehetőségei a gyakorlatban III.

A napelemtáblák energiahozamának optimalizálása
Az adott napelem-modul által begyűjthető elektromos energia az alkalmazás helyén megjelenő sugárzás függvénye. Hazánk területén a napból érkező sugárzási energia éves fajlagos átlagértéke az 1200-1400 kW/m2 tartományba esik.
A 20. ábrán látható grafikonon egy 1 kW csúcsteljesítményű, 350-os dőlésszögben elhelyezett napelemtábla- mezővel Kecskemét környékén egy nap alatt "átlagosan" begyűjthető (megtermelhető) elektromos energiamenynyiség (kWh/nap) látható havi bontásban (forrás: Farkas).
A legnagyobb energiahozam-változás mértéke többnyire július és december hónap között jelentkezik, mely természetesen a napelem-modulok dőlésszögének is függvénye.
A július, illetve december hónapban begyűjtött napenergia-mennyiség között hazánkban 0-600 dőlésszög-tartományban 9/1-2/1 viszony van. Az optimalizált rendszereknél ez a viszonyszám 6/1 értékű, vagyis ez azt jelenti, hogy a télen begyűjthető energia az időjárási viszonyok miatt a nyárinak kb. 1/6-része.
A napelem-modulok segítségével begyűjthető energia a névleges teljesítményükből és a földrajzi helyszín sugárzási energia-átlagértékeiből "viszonylag" jól megbecsülhető. A példaként mutatott, 1 kW csúcsteljesítményű napelem-mező 350-os, illetve 600-os dőlésszög esetén egy évre vonatkoztatva átlagosan 1350 kWh, illetve 1270 kWh elektromos energia termelésére képes. Ezek átlagértékek, és éves szinten a kb. plusz-mínusz 15%-os hibahatárt nem lépik túl.

Napelemtáblák termék-kiválasztási irányelvei
A napelemtáblák közül a monokristályos típusok kereskedelmi készletválasztéka néhányszor tíz W teljesítményű változattól a 200 W-os típusig terjed. Élettartamuk legalább 30 év (25 év teljesítménygarancia). Figyelemre méltók a BP Saturn-technológiával gyártott változatok, pl. a BP5175S típusjelölésű, 175 W csúcsteljesítményű napelem-modul (lásd 21. ábra). 2x36 db, külsőleg szemmel jól elkülöníthető, sorosan kapcsolt cellából épül fel. Munkaponti feszültsége és árama 36 V, 4,9 A. E napelem-modulok kissé felhős időben is kielégítően működnek. Már kis megvilágításnál, vagyis a reggeli és esti, valamint a nappali enyhén felhős időszakokban is több energia begyűjtésére képesek, mint a hagyományos technológiával előállított monokristályos típusok. Spektrális érzékenységi tartományuk ugyanis (az emberi szemhez hasonlóan) a látható tartományba esik, de kissé a kék szín felé tolódva.

A 22. ábrán látható a 350-550 hm hullámhossztartományba eső, kiemelkedő spektrális (kék szín) érzékenység. A napsugárzásból nyerhető elektromos energia ugyanis a Nap által kibocsátott sugárzás hullámhosszától jelentős mértékben függ. A 23. ábrán a napsugárzás erősségének spektrális eloszlását tüntettük fel a hullámhossz függvényében. A monokristályos táblák fekete színezetűek, külsőleg jól elkülöníthetők. Ezek a legköltségesebb, a legnagyobb fajlagos teljesítményt adó, kiváló minőségű típusok.
A polikristályos napelem- táblák többnyire kékeslila színezetűek. Hazánkban például a KYOCERA, illetve MITSUBISHI napelemtáblák 40-180 W teljesítménytartományban kaphatók. Hatásfokuk kisebb, 13-15% a 15-19%-ot elérő monokristályos típusokhoz képest.
Az amorf szilícium napelem-modulok 5-100 W teljesítménytartományban vásárolhatók. Ez a jelenleg legtöbbet alkalmazott és legolcsóbb technológia. Tudvalévő, hogy ezek érzékenysége a látható tartományon belül a melegebb sárga színhez esik közelebb. Alkalmazásuk így sok esetben előnyös lehet.
Igen kedvelt és elterjedt a 40 W-os csúcsteljesítményű típus, mely ma BSC 40 jelöléssel kapható (Bangkok Solar Company, Thaiföld). Az egy modul segítségével begyűjthető elektromos energia a nyári hónapokban 240-250 Wh/nap, télen pedig kb. 45 Wh/nap (lásd 24. ábrát). Ez nyáron egy 12 V-os akkumulátor töltésekor 20 Ah-át jelent, télen pedig csak az 1/6-át. A napelem-modulok specifikált adatait többnyire 1000 W/m2, AM 1,5 sugárzási feltétel mellett, 25 0C környezeti hőmérsékletnél adják meg. A Föld légkörén kívül az optikai légréteg O, és a sugárzást AMO-val jelölik (Air Mass O, AMO). A Föld felszínére a tengerszint magasságában merőlegesen, tiszta, felhőtlen időben beérkező sugárzást AM 1-gyel jelölik. Túlzott leegyszerűsítéssel, az optikai légréteg a földön, a tengerszint magasságában lévő megfigyelési pontban, tiszta időben: AM/cos , ahol az a megfigyelési pontban a beérkező sugárzás és a függőleges által bezárt szög (mely földrajzi hely- és időfüggő). Az AM 1,5 48,50-nak felel meg.

Beszerzési árak
A "nagyteljesítményű" monokristályos napelem-modulok ára 4-5 euro/W, a polikristályos táblák 3-4 euro/W, az amorf szilícium vékonyréteg- táblák pedig 2-3 euro/W áron vásárolhatók meg.

Kisteljesítményű szélge-
nerátorok és energiahozamuk
A szélgenerátor nem más, mint egy szélmotoros áramfejlesztő. Lényegében az aggregátoros áramfejlesztő sem más, mint egy meghajtómotorral (benzin, vagy dízelmotorral) meghajtott áramfejlesztő (generátor), vagyis egy "közös tengelyen lévő" gépcsoport (pl. benzinmotor által meghajtott generátor, a szélgenerátor pedig egy "szélkerék", vagyis szélmotor által meghajtott generátor). Hazánkban 60 W-10 kW "kis teljesítményű" változatok kaphatók. Kimeneti feszültségük 12, 24, 36, 48 és 230 V lehet típustól függően. Legelterjedtebbek a 400 W, 1000 W, 3000 W, 4000 W és 6000 W elektromos energiát leadni képes változatok.
A jó szélgenerátor egyszerűen tervezett: rugalmas műanyag lapátkerékkel, közvetlen meghajtású, neodímium-boron-acél állandó mágneses kefe nélküli generátorral, automatikus fékrendszerrel és széliránykövetéssel van ellátva. Rozsdamentes alapanyagokból és tartós bevonatokkal készülnek. Halk működésűek (a szél háttérzajától 3-10 dB-lel zajosabbak), kis szélsebességeknél is jó teljesítményt nyújtó termékek. Ezek viharos szélben mechanikusan és elektromosan lefékezve működő, megbízható, változó teljesítményt adó egységek.
Többségüknél az előállított, nem szinuszos váltakozó áramot a bennük lévő elektronika egyenirányítja, mely egyben túltöltés-védelemmel ellátott automata akkumulátortöltőként is szolgál. Így az ilyen szélgenerátorok kimenetéről közvetlenül a töltendő akkumulátorbankra csatlakozhatunk. A 230 V-os fogyasztókhoz a váltakozó feszültséget az akkumulátorbankhoz csatlakoztatott DC/AC- inverterrel állíthatjuk elő. A szélgenerátorok indítási szélsebessége típustól függően 1,8-3,5 m/s. A kisteljesítményű szélgenerátorok legalább 3,5-4 m/s átlagos évi szélsebességet igényelnek, ekkor már gazdaságosnak számítanak. A legtöbb hazai helyszín ennek megfelel. A névleges, illetve csúcs kimeneti teljesítményüket általában 10-12, illetve 18-20 m/s szélsebességnél érik el, ekkor már valamennyire lefékeznek, és kb. 50-65 m/s sebességű szélviharban, a túlélési szélsebességnél leállnak, vagy kifordulnak a szélből.

Átlagos élettartamuk több mint 30 év, s ezt követően is gazdaságos a felújításuk. Hátrányuk a relatíve nagy egyszeri befektetés. Az ilyen szélgenerátoros rendszerek könnyen telepíthetők és költöztethetők. A telepítéshez építési engedély elegendő, a tetőre szerelésnél csak bejelentési kötelezettség van, s nincs szükség 17 további engedélyre, mint a 100 kW feletti generátorok telepítésénél.
Mint már említettük, a szélgenerátorok állandó mágneses kefe nélküli szerkezetek. A 25. ábrán látható radiális légrésű állandó mágneses gépeknél az első kép héj-mágneses, míg a második és harmadik kép belső mágneses megoldásokat mutat. A 26. ábra képei axiális légrésű változatokat mutatnak. A 26. a, "robbantott" ábra szerinti kialakításban a toroid tekercselésű állórészt két állandó mágnessel ellátott forgórész-tárcsa fogja közre. Itt az állandó mágneseket ragasztják a forgórész-tárcsákra. A 26. b ábrán szemléltetett egyszerűsített metszet olyan megoldást ábrázol, amikor két állórész fogja közre az állandó mágneses, tárcsa alakú forgórészt. Az állórész-tekercs az állórész-vastest sugárirányú hornyaiban helyezkedik el.

Hazánkban kapható főbb szélgenerátor-típusok
A leggyakrabban alkalmazott 12, 24, 36, 48 V egyenfeszültségű Air X (400 W), Whisper H 40 (900 W), Whisper H 80 (1000 W) és Whisper 175 (3000 W) szélgenerátorok főbb adatai sorrendben a következők.
1. Rotorátmérő: 1,15; 2,1; 3 és 4,5 méter.
2. Súly: 5,85; 21; 30 és 70 kg.
3. Indítási szélsebesség: 3; 3,4; és 3,1 m/s.
4. Névleges teljesítményhez tartozó szélsebesség: 11,5; 12,5; 11,6 és 10,5 m/s.
A H 80-as és a 175-ös típusnak 230 V-os AC változatai is vannak. Könnyen költöztethető, házilag felszerelhető, kézben kis csomagként elvihető, mobilizálható esetekre (lakókocsi, hajó, hétvégi ház, horgászlak stb.) kínál az Atys-Co 60-250 W teljesítménytartományba eső kis szélgenerátorokat. Ezek a kis "pörgettyűk" (lásd előbb a 2. ábrát) telepíthetők lakókocsira, hajóra, tavak melletti kis tartórúdra, háztetőre, erkélyre, tartórúddal házfalra, magas fára stb. Ezek a hatlapátos rotorral ellátott Marlec gyártmányú (Anglia) szélgenerátorok az alacsonyabb szélsebességek kihasználását teszik lehetővé a kevesebb lapáttal épített berendezésekhez képest. Ezek igen alkalmasak lehetnek pl. világítási, mérés-adatgyűjtési s biztonságtechnikai (pl. riasztó, GSM interaktív távjelző stb.) rendszerek minimális energiaigényű tápfeszültség-ellátásának biztosítására.
A 27. ábrán az AIR X 400 W névleges teljesítményű szélgenerátor képe és főbb méretei láthatók. A 28. ábrán e szélgenerátor "robbantott" rajzát is bemutatjuk. E termék neodímium-vas-boron állandó mágneses forgórészszel (Rotor), aerolasztikus karbon szárnylapátokkal (Blade) rendelkezik, s alumíniumötvözet gépházban helyezkedik el. Csak két mozgó alkatrésze van! A mikroprocesszoros szabályozó elektronika (mely magában a generátorházban helyezkedik el) optimalizálja az akkumulátorok feltöltését, s megakadályozza, hogy nagy szélben hangos legyen a szélkerék. Az akkumulátorbank feltöltődésekor az elektronika lecsökkenti a töltőáramot, megvédve az akkumulátort a túltöltéstől, és lelassítja a szárnylapátot egy csendes forgású üzemmódra. Az akkumulátorcsatlakozás megszakadásakor a szabályozó úgy érzékeli, hogy az akkumulátor maximális feszültségre van feltöltődve, és el sem indul vagy üres járásban forog, mert nem tud töltőáramot leadni.
Mint említettük, a szárnylapát (Blade) anyaga rugalmas karbonszál, mely csavarodik, amikor a generátor eléri a max. teljesítményhatárt. Ez túlhúzást okoz, a generátor fordulatszámát csökkenti, és védi az egységet a sérüléstől erős szél esetén.
Ez az automatikus fékezésű széliránykövető generátor egyszerűen a tetőre (vagy a ház oldalfalához) szerelhető, kipányvázott tartóoszlop nem szükséges. Napelem-modulokkal hibrid rendszert al-kothat.
A "robbantott" rajzon látható főbb alkotórészek a következők: orrkúp, vagyis a forgórészfej (Nose Cone), szárnyrotor, illetve légcsavar-lapát (Blade), szárnylapát- agy (Hub), csapágyak (Face Bearings), seger-gyűrű, vagyis bepattintós rögzítőgyűrű (Face Snap Ring), O-gyűrű (O-Ring), állórésztekercs (Stator), permanens mágneses forgórész (Rotor), szabályozó elektronika (Circuit), generátor-gépház (Body), hűtőfelület (Heat Sink), árboc/oszlopcsapágy (Yaw Bearing), árboc-forgórészfej (Yaw Body), kimeneti vezetékek (Yaw Wires), kefe/rugó (Brush/ Spring) stb.
Az AIR X, a Whisper H 40 és H 80 szélgenerátor (lásd 4. ábrát) 400, 900, illetve 1000 W teljesítményt képes leadni. Mindegyik generátortípus kiegészíthető napelem modulokkal hibrid rendszerré. Az ilyen hibrid rendszer esetén termelhető energiamennyiségre mutatnak példát a 29. ábrán látható görbék.

Telepítési irányelvek
"Nagyteljesítményű" napelem-modulok telepítési irányelvei. Az általános tudnivalók a következőkben foglalhatók össze.
. A napelem-modulok nem érzékenyek a rövidzárra (áramgenerátoros jelleg). Ezért is alkalmaznak kisebb teljesítmények esetében töltésszabályozóként "sönt" szabályozót. A rövidzárat elviselik ugyan, de kívülről feszültséget nem szabad rájuk kapcsolni (a párhuzamosan kötött további modult kivéve), mert az károsodáshoz vezethet.
. Visszatáplálás ellen könynyen védhetők SCHOTTKY diódával.
. A felületükre rakódó hó, jég, mivel diffúz réteg, még javíthatja is a téli üzem hatásfokát.
. A téli hidegben kb. 15%-kal jobb hatásfokkal dolgoznak, mint a 35 °C-os nyári melegben.
. A napelem-modulok sorosan és párhuzamosan is összeköthetők. Az azonos üresjárási feszültségű napelem-modulok párhuzamosan köthetők, de sorba csak azonos típusokat szabad kötni. Soros kapcsolással a feszültség, párhuzamos kapcsolással pedig az áram növelhető tetszés szerint. Több napelem-modul párhuzamos kapcsolásánál vegyük figyelembe, hogy a közös ágakban nagyobb áram fog folyni, tehát nagyobb keresztmetszetű vezetékeket kell alkalmazni. Soros kapcsolásnál pedig a feszültség növekedése miatt az érintésvédelmi problémák kerülnek előtérbe.
. A napelemtáblák a szelet, a havat, a jeget és a kisebb jégverést elviselik, de nagyobb kővel megrongálhatók.
. A napelem-modulokat a "vandalizmus" kivédése céljából lehetőleg védett helyre telepítsük. Amennyiben a tájolás és az épület tetőfelülete alkalmas rá, azok a tetőfelületen helyezhetők el. Ott nincs útban, lopásbiztos, dőlésszöge hazai viszonylatban többnyire megfelel a kívánalmaknak. Bizonyos esetekben (kisebb teljesítményű modulok) a jó irányban álló erkély, a puszta földön, lapos tetőn álló állványzat is megfelel.
. A napelem-modulok és a csatlakozó elektronikus egységek között a lehető legrövidebb és megfelelő keresztmetszetű vezetékeket használjunk!

Mono- és polikristályos napelemek telepítési irányelvei
A legfontosabb telepítési irányelvek az alábbiak.
A mono- és polikristályos napelem-moduloknál a kívánt energiatermelés időpontjában a "benapozottságnak" teljes mértékűnek kell lennie. Ameddig a napelem-modulok "láthatják" a napot, semminek sem szabad arra (még részlegesen sem) árnyékot vetnie! Még egy közepes méretű falevél árnyéka is képes az egész rendszert leblokkolni! Ha ugyanis egy soros cellából álló napelemtábla valamelyik cellájára árnyék vetődik, nemcsak hogy leromlik a modul teljesítménye, hanem az teljesen megszűnhet, vagyis nullára csökkenhet. Megoldást jelenthet ez esetben (több modul esetén) a mono- és polikristályos modulok áthidalása, a bypass dióda.
Ekkor a "kikapcsolódott" modul bypass diódáján keresztül tud a többi modul még áramot adni. (Sorosan kapcsolt napelem-modulok kimenetére záró irányban kötött áthidaló diódák!)

Amorf szilícium napelem-modulok telepítési irányelvei
A főbb tudnivalók az alábbiakban foglalhatók össze. E napelem-modulok nem annyira érzékenyek a fentiekben említett "beárnyékolási" jelenségre. Itt csak a letakart felület arányában csökken az energiatermelés. Természetesen igyekezni kell úgy elhelyezni a modulokat, hogy azok ne kerüljenek részlegesen sem árnyékba. Ha ez nem oldható meg, akkor az árnyék bármelyik modulon mindig merőleges legyen a vágásokra, azaz a napelem-modulon látható "csíkok" egyformán legyenek árnyékban.
. A "nagyteljesítményű" (40-100 Wp) amorf szilícium napelemtáblák felszerelésénél vegyük figyelembe, hogy fő alapanyaguk szinte kivétel nélkül üveg. Ezért ugyanúgy kell bánni velük, mint bármilyen más vastag üveglappal.
. A napelemtáblákat rugalmasan kell felszerelni. A gyártók megfelelő felerősítő profil- idomot tartozékként szállítanak. A felszereléshez mindenképpen a mellékelt speciális profilkialakítású, univerzálisan alkalmazható alumínium tartó használata javasolt.
. A felerősítő pontoknak egy síkba kell esniük, így nem alakulhat ki az üvegben olyan káros mechanikai feszültség, ami idővel repedéshez vezethet.
. Feltétlenül figyelembe kell vennünk, hogy 2,5-3-szor nagyobb telepítési felület szükséges és 2,7-3-szor nagyobb súlyterheléssel kell számolnunk, mint a mono- és polikristályos napelemtáblák esetében. Háztetőre szerelésnél arra nemcsak a többlet súlyterhelés nehezedik, hanem a szélterhelés is megváltozhat, így a statikai számítás is indokolttá válhat. Példaként említjük, hogy 3,2 kW DC-oldali energiatermelés eléréséhez kb. 65 m2, illetve 25 m2 telepítési felülettel és 1080 kg, illetve 400 kg súlyterheléssel kell számolnunk az amorf, illetve a mono- és polikristályos napelemtáblák használatakor.
. Amennyiben rendelkezünk a napelemek elhelyezéséhez megfelelően nagy telepítési hellyel, és súlyuk a telepítésnél nem okoz gondot (pl. földön lévő tartókra történő elhelyezés stb.), úgy meggondolandó az amorf szilícium napelemtáblák használata.
A 30. ábrán háztetőre szerelt 100 W-os amorf szilícium napelemtábla-mezőt mutatunk, melyen a közelben lévő 120 kW-os szélgenerátor tükörképe látható (Wischafen).
Ferenczi Ödön

---