A nap- és szélgenerátoros rendszerek egységei II.

2006/10. lapszám | netadmin |  4606 |

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

Energiaátalakítási hatásfok, ár Amint korábbi publikációinkban már felhívtuk rá a figyelmet, a napelem hatásfokát a maximálisan leveheto elektromos teljesítmény és annak munkafelületére beeso fényteljesítmény hányadosa határozza meg. A kereskedelemb...

Energiaátalakítási hatásfok, ár

Amint korábbi publikációinkban már felhívtuk rá a figyelmet, a napelem hatásfokát a maximálisan leveheto elektromos teljesítmény és annak munkafelületére beeso fényteljesítmény hányadosa határozza meg. A kereskedelemben kapható napelem-modulok energiaátalakítási hatásfoka monokristályos kivitelnél 15-19%, polikristályos kivitelnél 13-15%, amorf kivitelnél 5-7%.

A hazai piacon forgalmazott amorf napelemek 5-7%-os hatásfoka azt jelenti, hogy ugyanakkora elektromos teljesítmény "kitermeléséhez" amorf szilícium napelembol 2,5-3-szor nagyobb napelem-modul felület alkalmazása szükséges, mint a monokristályos napelem-modulok esetében. Elonyük azonban az, hogy kis energia- és anyagráfordítással gyárthatók, tehát viszonylag kedvezo az áruk. Hátrányuk ellenben az, hogy teljesítménygarancia élettartamuk rövid (többnyire 10-15 év).

Megismételjük, hogy a nagy tételben történo vásárlásnál a monokristályos napelem-modulok ára 4-5 Euró/W, a polikristályos táblák 3-4 Euro/W, az amorf szilícium vékonyréteg táblák pedig 2-3 Euró/W áron kerülnek forgalomba.

A kereskedelemben kapható napelem-modulok árai a forgalmazók és a rendszertervezok- és telepítok honlapjain gyakorlatilag naprakészen megtalálhatóak. A nagy teljesítményu modulok többnyire alumínium keretben, csatlakozódobozzal, 2 darab bypass-diódával kerülnek forgalomba. Megtalálhatók továbbá az igényünknek megfelelo (tetszés szerint alakítható) napelemes csomagok (minta összetételek) és azok beszerzési árai is.

A különféle napelemtáblák felszerelése 

Már több alkalommal foglalkoztunk a mono-, polikristályos, valamint az amorf szilícium napelemtáblákkal (legutóbb VL 2006/6.). Az alábbi bekezdésben csak a jelen tematika szerint fontos elemek kerülnek kiemelésre.

Összehasonlításképpen egy-egy 40 W-os amorf szilícium, monokristályos és polikristályos napelem modul felülete/súlya átlagosan rendre a következo: 0,79 m 2 /13,5 kg; 0,31...0,38 m 2 /5 kg, valamint 0,35...0,4 m 2 /4...4,9 kg. Megállapítható, hogy az amorf szilícium táblák telepítésénél 2,7...3,5-ször nagyobb súlyterheléssel kell számolnunk, mint a mono- és polikristályos napelem-modulok esetében.

Az amorf szilícium napelem-modulok említett hátránya -a rövid garancia élettartam -azt jelenti, hogy például egy 40 W-os típus 10 év alatt névleges teljesítményébol max. 10%-ot veszíthet. Tíz év múltán annak még min. 36 W teljesítményt le kell tudni adnia 1000 W/m 2 fényerosség mellett.

Vannak azonban elonyös tulajdonságaik is. A kedvezotlenebb hatásfok, rövidebb élettartam, nagyobb telepítési helyszükséglet, nagyobb súlyterhelés mellett figyelembe kell vennünk azt is, hogy érzékenységi tartományuk az emberi szem által látható színtartományon belül a sárga színhez esik közelebb. Ez alkalmassá teszi oket arra, hogy "mufényben" vagyis alacsony megvilágítási, felhos körülmények között mintegy 8...12% többletenergiát gyujtsenek be. Így kiváló energiatermeléssel rendelkezhetnek a kissé kedvezotlenebb keleti, illetve nyugati telepítési irányokban is. Továbbá, nem olyan kényesek a "benapozottságra", mint a mono- és polikristályos változatok: ez utóbbiaknak szinte egyetlen "porcikája" sem kerülhet árnyékba, mert már egyetlen falevél árnyéka is leblokkolhatja a teljes rendszert.

Fontos, hogy egy teljes napelemes rendszer hatásfokát a napelem konstrukcióval (napelemfajta és -típus) és a környezeti, valamint a rendszerkialakítással összefüggo tényezok egyaránt befolyásolják. A környezeti tényezok közül a homérséklet az egyik legfontosabb. Az amorf szilícium modulok homérsékletfüggosége viszonylag kicsi. Éves átlagban 21...22%-kal több energiát gyujtenek be, mint az azonos teljesítményu kristályos típusok (30°-os dolésszög mellett). A téli hidegben a napelemeknek kb. 15%-kal jobb a hatásfokuk, mint a 35°C-os nyári melegben! Természetesen nemcsak a megvilágítás erossége, hanem a napelemtábla felületének tisztasága is dönto tényezo. Igen fontos továbbá, hogy maximális teljesítményu munkapontot kereso töltésszabályozókat és nagy hatásfokú, kis önkisülésu, jól ciklizálható, szolár tároló akkumulátorokat használjunk (lásd késobb!)

15. ábra

 "Áttetszo", építészeti célú, "merev" napelemtáblák

Épületek kialakításánál, bovítésénél, utólagos árnyékolási feladatok megvalósításakor az építészeket és "barkácsolókat" elektromos energiát is termelo korszeru megoldások megalkotására ösztönözhetik a közelmúltban megjelent, építészeti célokra kifejlesztett, árnyékolást biztosító, "áttetszo" amorf szilícium vékonyrétegu napelemtáblák (15. ábra).

Példaként kiemelhetok a RWE SHOTT Solar termékek: 12 színben kaphatók, melyekkel különbözo belso térhatások alakíthatók ki. A helyiség belso világítását a napelemtábla áramvezeto alumínium felületei visszaverik, melyek igen kellemes benyomást keltenek. E termékek többségének fényátereszto képessége 10%. A napelem és hordozója két igen vastag (6- 8 mm ) üveglap között helyezkedik el, amely igen jó hoszigetelo-képességet biztosít és igen jól alkalmazhatók árnyékolástechnikai feladatok megoldására sötétített üvegtáblák helyett (16. ábra.). Felhasználhatók például épületfalak, folyosók (17. ábra), tetoterek, beltéri kialakítások stb. hoszigetelo biztonsági üvegként szereplo, árnyékoló, egyben áramot termelo építoelemeként. A legnagyobb gyártott táblaméret 2,4x1,3 m. Névleges teljesítmény 42 W/m 2 .

Ezeknél a napelemtábláknál (1000 W/m 2 , AM 1,5) 65 °C-ig no a termelt teljesítmény, a kristályos moduloknál viszont csökken. Az ilyen "áttetszo", merev napelemtáblákat elsosorban biztonsági berendezések (riasztó, vészvilágítás stb.) áramellátására alkalmazzák.

 

 

16. ábra	17. ábra

 

18. ábra

19. ábra

20. ábra

21. ábra

Hajlítható, vékonyfém-lapos és feltekerheto napelemek

Kaphatók hajókra, jachtokra, tengeri vitorlásokra s egyéb jármuvekre (pl. autó, lakókocsi stb.) történo felhasználású napelem-modulok is (18. ábra.). Ezek az igen vékony, tengervíznek ellenálló napelem-modulok speciális ragasztóval egyszeruen felragaszthatók az adott felületre. Igen könnyu, flexibilis, törés- és járásbiztos, nagyon vékony változatok is kaphatók. Ezek egyenetlen felületre is felragaszthatók: e sérülésálló modulok jól rásimulnak az alapfelületre (pl. a jármufedélzetre).

A 19. ábrán Triple-junction vékonyréteg szilícium technológiával eloállított típusok láthatók, amelyek flexibilisek, hajlíthatók (keret és üvegmentes), idojárás és tengervízállók, kiemelkedoen árnyékturok a cellákhoz tartozó bypass-diódáknak köszönhetoen. Nagy érzékenységgel rendelkeznek kis besugárzás és diffúz fény esetén is. Az ilyen napelemekkel különbözo szabadido készletek is összeállíthatók (napelem, töltésszabályozó, szolár akku, DC-AC inverter, lásd késobb!).

Egyre jobban terjednek a pillekönnyu, hajlékony, feltekerheto és rugalmas, tengervíznek is ellenálló napelemek. Alkalmazásuk után pedig egyszeruen feltekerhetok, így könnyen tárolhatók a legkisebb helyen is. Ideálisan használhatók hajókon, vitorlásokon, személyautókon, lakókocsikon, illetve szabadtéri, túrázási feladatoknál, például hátitáskára erosítve.

A kereskedelemben F-5, F-10 típusjelöléssel 5, 10 W csúcsteljesítményu, 12 V-os típusok kaphatók. Tömegük: 0,36, illetve 0,7 kg . Úgy az 5, mint a 10 W-os kivitel kompletten, muanyag tároló hengerben kerül forgalomba (kiskereskedelmi áruk bruttó 39, illetve 63 eFt/db).

A szóban forgó típusok gyenge fényviszonyok esetén is kielégítoen muködnek (felhos/esos égboltnál is). Rugalmasan beilleszthetok a rendelkezésre álló helyre: összecsavarva a muanyag hengerben jól szállíthatók. Mivel tökéletesen vízhatlanok, így kiváló napelemes tápforrásként szolgálhatnak vitorlázás vagy amator rádiózás során is. Törésbiztos kivitelük a legmostohább körülmények közt is megbízható, hosszú távon alkalmazható, igazi mobil áramforrássá teszi oket. Segítségükkel pl. túlélo készletek állíthatók össze (feltekerheto napelem, töltésszabályozó, 4 Ah-s mini zselés akku stb.).

 

Napelemek kis készülékekhez, energiakondicionáláshoz

Egyre jobban terjednek a kis készülékekhez használható napelemes áramforrások. A kereskedelemben kapható (zsebbe teheto) univerzális napelemes generátorok intelligens töltoelektronikával rendelkezo hordozható egységek (20. ábra.). Ezeknek a készülékeknek az akkumulátorait napelemrol, 230 V-os hálózatról és a gépjármu 12 V-os fedélzeti feszültségérol egyaránt feltölthetjük. Segítségükkel a feltöltött, illetve a napgenerátoros töltés alatt álló akkumulátorokról kis készülékek és mobiltelefonok bárhol hálózat nélkül üzemeltethetok, tölthetok. A készülékekhez megfelelo összeköto kábelek, univerzális adapter dugók és mobiltelefon-csatlakozók a különbözo telefontípusokhoz tartozékként szerepelnek.

Egyre jobban elterjedoben vannak a jármuakkumulátorok kondíciójának karbantartására szolgáló napelem modulos töltok (21.ábra.). A forgalmazók 2 és 6 W teljesítményu típusokat kínálnak. Ez utóbbi nemcsak autókhoz, hanem az erosen igénybevett teherautó, lakókocsi és motorcsónak akkumulátorokhoz is használható. Az idojárásálló napelem-panel nappal tartós, kíméletes töltést biztosít. A kondicionáló töltoáram kb. 400 mA, amely megakadályozza a jármu akkumulátorának lemerülését, azt állandóan feltöltött állapotban tartja.

 

Komplett napelemes készlet-választékok

Akár villamos hálózat nélküli, vidéken lévo házba (hétvégi ház, nyaraló, vadászház, borospince, horgászházikó stb.), akár lakókocsiba vagy hajóba kívánunk napelemes táprendszert készíteni, a forgalmazók, rendszertervezok és -telepítok között minden teljesítményigényhez találhatunk megfelelo komplett napelemes készletet. A kereskedelemben kapható rendszer-készletválasztékok (12 V-os egyenáramú és 230 V-os váltakozó áramú kis és közepes teljesítményu szettek) 40 W-tól több mint 3 kW-ig vásárolhatók, mely utóbbi már nyaraló, családi ház áramellátására is alkalmas. A készletbe a következo elemek tartozhatnak (22. ábra): napelem-modul(ok), töltésszabályozó, 230 V-os rendszernél 12 vagy 24 V/230 V-os DC-AC inverter, esetenként akkumulátor(ok), csatlakozó kábelek, akkumulátorcsatlakozók, napelem-modul felerosíto alumínium profilok stb. Külön kaphatók hálózatra dolgozó rendszerekhez speciális inverterek.

Olyan készletet célszeru beszereznünk, illetve terveztetnünk, amely teljesen feltöltött akkumulátor(ok) esetén – névleges napi fogyasztást feltételezve – legalább négy napig üzemképes napsütés hiányában is. A nyáron, illetve télen begyujtött napenergia mennyisége között hazánkban 6/1 viszony van. Ennek figyelembevételével nyáron lényegesen hosszabb ideig használhatjuk a fogyasztóinkat vagy több nagyobb teljesítményfelvételu készüléket muködtethetünk

22. ábra

Akkumulátor töltésszabályozók

23. ábra

24. ábra

Soros- és sönt szabályozású töltokészülékek

A napelemes töltésszabályozó megakadályozza a tároló akkumulátor túltöltését és annak mélykisütését, s ellátja a rendszer felügyeletét. A töltésszabályozónak biztosítania kell, hogy a napelem modul mindig a maximális teljesítményu munkapontjában muködjön. A korszeru töltésszabályozóknál a beépített MPPT (maximális teljesítményu munkapont-keresés) kialakításnak köszönhetoen, azok a napelem modulokból nyerheto legnagyobb kimeno teljesítményt hasznosítják. A napelemes töltésszabályozók többségén a 23. ábrán láthatóan hat csatlakozópont található. Ezen SCD sorozatú töltésszabályozó LC kijelzovel RS232 interfésszel, 10, 20 és 30 A-es változatban kapható.

A soros szabályozás elvén muködo töltésszabályozónál az áramkör gyakorlatilag megszakad, amikor az akkumulátor eléri a töltési végfeszültségét. Figyelembe veendo, hogy a gyártók az akkumulátoraikra (ha minimális mértékben is) eltéro töltési végfeszültséget adnak meg, amit a töltésszabályozó kiválasztásánál figyelembe kell venni (vagy állítható töltési végfeszültségu készüléket kell beszerezni).

A sönt szabályozás elvén muködo töltésszabályozóknál, amikor az akkumulátor eléri töltési végfeszültségét, a szabályozó "rövidre zárja" (söntöli) a napelemtábla kimeneti kapcsait. Az ilyen szabályozónak bírnia kell a napelemtábla maximális, vagyis rövidre zárási áramát, mintegy 25-30 % biztonsági tartalékkal megfejelve. A teljesítmény-igény lehetséges jövobeni növelése érdekében a kiépítendo berendezésekhez már a tervezéskor nagyobb áram terhelhetoségu töltoszabályozót célszeru választani. A napelemtábla kimeneti kapcsainak rövidre zárása nem jelent problémát, mivel azok nagy belso ellenállással rendelkeznek, ami korlátozza az áramot. A napelemek áramgenerátoros jelleguek. Nagyon fontos, hogy a napelemes töltésszabályozók semmiképpen sem alkalmazhatók szélgenerátorral együtt. Ez utóbbiak kimenete feszültséggenerátoros jelleggel bír, annak belso ellenállása minimális (hacsak nem magába a szélgenerátorba beépített töltésszabályozóval rendelkezik, s így az közvetlenül csatlakoztatható a tároló akkumulátorra).

A szolár akkumulátorok káros mélykisütés elleni védelme céljából ezek a készülékek lekapcsolják a fogyasztót, ha az akkumulátor feszültsége eléri a mélykisütési feszültségértéket

Korszeru mikrokontrolleres töltésszabályozók

Manapság az egyszeru szabályozástól a processzor vezérlésu töltési stratégiáig a legkülönbözobb rendszerek használatosak. Az impulzus-szélesség modulált sönt szabályozók például jól használhatók kicsi és közepes (max. 20 A-es töltoáramú) szolár berendezéseknél. Az összes "igényes" szabályozó optimalizált töltést biztosít, amely a leheto legjobban illeszkedik a töltendo szolár akkumulátorhoz és különleges egyéb funkciói segítségével a leheto leghosszabb akkumulátor élettartamot teszi lehetové.

A korszeru gyártmányok, például a TSBC 1212 és a TBSC 1220, 12 és 20 A-es töltoárammal és 12 V névleges feszültség mellett 13,5-15,0 V között állítható töltofeszültséggel rendelkeznek, 18-65 V DC bemeneti feszültségtartományban üzemelnek. Mivel képesek arra, hogy megkeressék a maximális teljesítményu munkapontot, így kiválóan alkalmazhatók mind amorf szilícium vékonyréteg, mind mono-, illetve polikristályos modulokhoz. A kimenet mélykisütés elleni védelemmel, túláram-védelemmel, valamint a kimeneti terhelés (fogyasztó) bekapcsolását érzékelo fokozattal van ellátva. Változó megvilágítási viszonyok esetén a készülékek automatikusan megkeresik a maximális hatásfokú, legnagyobb teljesítményt nyújtó munkapontot. A kimenet intelligens terhelésfelismero áramkörrel rendelkezik, amely biztosítja, hogy pl. 5 W-nál nagyobb terhelés esetén a készülék bekapcsoljon. Ha a terhelést lekapcsoljuk, akkor a töltésszabályozó is stand-by (készenléti), népiesen mondva "alvó" állapotba kerül, ezzel is csökkentve a fogyasztást.

A kis teljesítményu szélgenerátorok többsége rendelkezik magába a generátortestbe beépített töltésszabályozóval. Ez esetben egyszeruen csak a tároló akkumulátorra kell csatlakozni. A szélgenerátoros töltésszabályozó egyik igen fontos feladata, hogy szélero csökkenés esetén csökkentse a töltoáramot, hogy az "ne fojtsa le" a légcsavart, vagyis az ne álljon meg, hanem folyamatosan forogjon a szélerotol, az akkumulátor töltöttségétol és a terhelési (fogyasztói) viszonyoktól függoen

Szolár tároló akkumulátorok

Szolár savas ólomakkumulátorok

A nap-és szélgenerátorokból nyert energia felhasználásának egyik problémája az, hogy térben és idoben változóan és általában elore csak részben meghatározható mértékben áll rendelkezésünkre. Mivel felhos és szélmentes idoben is szükségünk van elektromos energiára, ezért annak átmeneti tárolása céljából akkumulátorokra van szükségünk.

A szélgenerátoros és napelemes rendszerekhez speciális, ún. ciklusálló szolár akkumulátorok a legalkalmasabbak (24. ábra.). Ezek az akkumulátorok képesek hosszú idon keresztül jó hatásfokkal feltöltodni, majd kisülni a tároló képességük 20 %-áig is. A ciklusállóságot jóval nagyobb tömegu ólommal tudják biztosítani, így ezek nehezebbek az azonos tárolóképességu gépjármuindító savas ólomakkumulátoroknál és költségesebbek is. A gépjármuindító savas ólomakkumulátorok nem alkalmasak igazán a ciklikus töltés-kisütés üzemmódra, még a drágább kivitelek sem. Ezeket az igen kis belso ellenállású indító akkumulátorokat arra tervezték, hogy rövid idotartamra több száz ampert leadva elindítsák a gépjármu motorját, majd az indulást követoen az áramfejleszto azonnal tölteni kezdi az akkumulátort.

25. ábra	26. ábra

Az autóakkumulátorok 1-1,5 év alatt tönkremennek a nap- és szélgenerátoros használatban. Ez ido alatt is nagyon rossz hatásfokkal és nagy energiaveszteséggel (önkisülés) üzemelnek. A 25. ábrán a különbözo technológiájú savas akkumulátorok tárolhatósági idotartamát, vagyis önkisülési hajlamát hasonlítottuk össze. A PbSb savas indítóakkumulátoroknak 75 nap elteltével, míg a PbCa szolár savas akkumulátoroknak csak 200 napot követoen csökken a töltöttségi állapotuk 50%-ra. A szélgenerátoros és napelemes rendszerekhez használható korszeru szolár savas ólomakkumulátorok 6-10 évet bírnak ki. A szolár akkumulátorokon nem tüntetnek fel indítóáramot, így a legkönnyebb felismerni azokat.

Abban az esetben, ha igen olcsón hozzájuthatunk gépjármuindító savas ólomakkumulátorhoz, akkor a szükséges szolár akkumulátor (ciklusálló akkumulátor) tárolóképességének mindenkor a kétszeresét meghaladó autóakkumulátort vásároljunk, tehát például 100 Ah-ás helyett 2 db 100 Ah-ás akkumulátort, amelyeket párhuzamosan kell kapcsolnunk. Ez esetben, ha azt kevésbé terheljük (áramtakarékos fogyasztók), illetve nem merítjük le nagyon (csak a tárolóképességük 70 %-áig), akkor azok 2-3 éves üzemidot is elviselnek.

A 12 V névleges feszültségu szolár akkumulátorok a legelterjedtebb -6,6-230 Ah -tárolóképesség (kapacitás) tartományban a legtöbb forgalmazónál beszerezhetok

27. ábra

28. ábra

29. ábra

Mint már korábban hangsúlyoztuk, az akkumulátortelep több egymással elektromos kapcsolatban álló akkumulátorcellából álló egység. Az akkumulátortelep feszültségét az egyes sorosan kapcsolt cellák feszültségének összege adja. A 12 V névleges feszültségu akkumulátor(telep) 6 db, sorosan kapcsolt 2 V-os akkumulátorcellából épül fel, amely az esetek többségében közös házban nyer elhelyezést. A nagyobb teljesítményu rendszereknél a 12, 24 V-os akkumulátortelepet különálló 2 V-os cellák soros kapcsolásával alakítják ki, mivel így az esetlegesen meghibásodott (zárlatos, szakadt, ido elott "legyengült") akkumulátorcella kisebb költségkihatással és könnyen cserélheto. A könnyebb és a kisebb költségu javíthatóság érdekében még a kisebb teljesítményu rendszereknél is elonyben részesítik például a 6 V-os akkumulátortelepek alkalmazását.

Több akkumulátortelep együttesen akkumulátorbankot alkot. A 26., illetve a 27. ábrán látható 12 V, 24 V névleges feszültségu akkumulátorbank 8 db 6 V-os akkumulátortelepbol került összeállításra

Savas ólomakkumulátorok töltési szabályai

A légmentesen lezárt, kocsonyásított (gélesített, zselatinált) elektrolitú, 2 V névleges feszültségu savas ólomakkumulátor-celláknál a gázképzodés elkerülése végett a töltofeszültséget gyártmánytípustól függoen 2,28-2,35 V/cella értékben határozzák meg (lásd 28. ábra.). Ezek töltésére olyan automatikus töltokészülék, más szóval töltésszabályozó használatát javasolják, amely e 2,28-2,35 V/cella feszültség elérésekor a töltést megszünteti és csepptöltésre áll át. E cellafeszültség esetén nem szükséges korlátozni a töltoáramot, ugyanis e feszültség mellett az akkumulátorcella nem töltheto túl. Az ilyen soros töltoszabályozóknál a töltés állandó áramerosséggel kezdodik (ha süt a Nap), majd a megadott kapocsfeszültség elérésekor közel nullára, vagyis a csepptöltési értékre csökken.

A maximális töltofeszültség a 12 V névleges feszültségu "száraz" szolár savas akkumulátoroknál a gyártók által megadottak szerint általában 6x2,3 V=13,8V, míg a "nyitott" cellájúaknál 6x2,4 V=14,4V. Ezt a feszültségértéket az akkumulátorra kapcsolva lehet hagyni, így az állandóan feltöltött állapotban tartható.

A 29. ábrán a savas ólomakkumulátor cellafeszültségének változását I=C20/20 értéku kisüto áram mellett a kisütési idotartam függvényében tüntettük fel. Egy 12 V névleges feszültségu akkumulátor megengedett végso kisüto feszültsége 6x1,75V=10,5V.

Ferenczi Ödön

---