A nap- és szélgenerátoros rendszerek egységei I.
2006/9. lapszám | netadmin | 5666 |
Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A nap- és szélgenerátoros áramtermelő táprendszerek energiagyűjtő, illetve áramtermelő egységeiként említhetők a napgenerátorok (napelem- modulok, napelemtábla-mezők), a szélgenerátorok (szélmotoros áramfejlesztők) és a kiegészítő (rásegítő) vészta...
A nap- és szélgenerátoros áramtermelő táprendszerek energiagyűjtő, illetve áramtermelő
egységeiként említhetők a napgenerátorok (napelem- modulok, napelemtábla-mezők),
a szélgenerátorok (szélmotoros áramfejlesztők) és a kiegészítő (rásegítő) vésztartalék
áramfejlesztők (benzin-, illetve dízel- vagy gázmotorral meghajtott áramfejlesztő
generátorok, más szóhasználattal aggre-gátorok).
További egységként szolgálnak az akkumulátor töltésszabályozók, a tárolóakkumulátorok,
a DC-AC inverterek, az energiatakarékos fogyasztók, továbbá az egyéb tartozékként
szereplő elektromos szerelési anyagok s kiegészítő egységek. Ez utóbbihoz tartoznak
például a kapcsolószekrények és túlfeszültségvédő berendezések, villámvédelmi
és érintésvédelmi kialakítások, s egyéb kiegészítő elektronikák. Az alábbiakban
ezek áttekintő bemutatására teszünk kísérletet.
1. ábra |
Napelemek, napelemmodulok
A napelem, mint elektromos energiaforrás
Noha több alkalommal is érintettük már a témát e szaklap oldalain, célszerűnek
tűnik fel más közelítésben átismételni a fontosabb tudnivalókat. A Nap közvetlenül
vagy szórt formában hozzánk érkező fényét, de akár a mesterséges fényt is fényelektromos
cellák segítségével elektromos egyenárammá alakíthatjuk át. A napelemek alapanyaga
félvezető. Az energiaátalakítás a félvezető alapanyagban játszódik le. Ha a
fényforrás a Nap, a fényelektromos cella, vagyis a fényelem neve napelem. Egy
napelem-cella hatásfoka típustól függően 6.19%. Az egyedi napelem-cellák elektromos
és mechanikai jellemzői általában nem felelnek meg a felhasználási igényeknek.
Példaként említjük, hogy a kristályos szilícium napelem-cellák üresjárási feszültsége
0,55-0,65 V, rövidzárási árama 20-40 mA/cm2 és teljesítménye 13-17 mW/cm2 közötti
érték 1000 W/m2-es AM 1,5 sugárzási feltétel mellett, 25 0C környezeti hőmérséklet
esetén. Egy szokásos kristályos szilícium napelem felülete 50-200 cm2. Abból
a célból, hogy nagyobb teljesítményt érjenek el, az egyedi napelem-cellákat
nagyobb egységekbe szerelik. Az ilyen tokozott, egybeépített cellákat napelem-moduloknak
(napelem-tábla, napelem-panel, fényelektromos modul, PV <PhotoVoltaik> modul,
szolár-modul stb.) nevezzük. A felhasználás, vagyis a telepítés során a sok
napelem-modul egybefüggő "napelem-mezőt, szolár-szőnyeget" alkothat.
2. ábra |
A napelem-modulokban az egyes cellákat elektromosan sorosan, párhuzamosan,
ritkábban vegyesen kapcsolják (összefémezik). Az ilyen módon kapcsolt cellák
I=f(U) jelleggörbéjének alakulását a 1. ábra mutatja.
Mint már említettük a napelemmodulok specifikált adatait többnyire 1000 W/m2
AM 1,5 sugárzási feltétel mellett, 25 °C 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 AM1-gyel jelölik (lásd 2. ábra.).
Túlzott leegyszerűsítéssel az optikai légréteg a földön, a tengerszint magasságában
lévő megfigyelési pontban, tiszta időben: AM/cos alfa, ahol alfa (görög kis
alfa) a megfigyelési pontban a beérkező sugárzás és a függőleges által bezárt
szög (mely földrajzi hely- és időfüggő!). Az AM 1,5 48,2°-nak felel meg."(VL,
V. évf., 6. sz.)
A napelem, mint tápforrás áramgenerátorként működik. Belső ellenállása nagy,
s ezért is zárhatók rövidre minden káros következmény nélkül annak kivezető
kapcsai. A koncentrált paraméterű elektromos helyettesítő képét a 3a. ábrán
láthatjuk. Itt IF a fotonok által generált áram, Rb a belső párhuzamos veszteségi
ellenállás koncentrált értéke (a napelem felületén létrejövő veszteségek öszszege),
Rs a soros veszteségi ellenállás koncentrált értéke (a napelem kontaktusain
és belső áramvezetésében keletkező veszteségek összege), ID a pn átmeneten
UD-feszültség hatására átfolyó (megvilágítás-mentes esetre vonatkoztatott,
vagyis sötét) áram koncentrált értéke, az U a külső R terhelő ellenálláson
átfolyó I áram hatására keletkezett feszültség.
3. ábra |
A napelemről levehető teljesítményt a napelem feszültségének és az ellenálláson
átfolyó áramnak a szorzatából kapjuk. Abból a célból, hogy a napelemből a lehető
legnagyobb teljesítményt vehessük ki, fontos az optimális terhelés megválasztása.
A 3b. ábrán a maximálisan kivehető teljesítményt a kék színnel rajzolt rész
szemlélteti. Ezen területnek, valamint az üresjárási feszültség és a rövidrezárási
áram szorzata által meghatározott területnek a hányadosa az úgynevezett ß kitöltési
tényező, más szóhasználattal FF tényező (fill faktor). Ez a (szakirodalomban,
a napelem-karakterisztika jellemzésére, minősítésére szolgáló) hányados- érték
adja meg, hogy a maximálisan kivehető teljesítmény téglalapja hány százaléka
az IrUü által meghatározott téglalap területének. Értéke a gyakorlatban használatos
napelemekre 0,75-0,85 közötti tartományba esik. Ideális napelem esetén az FF
kitöltési tényező értéke 1 volna (nulla értékű soros és végtelen ellenállás-értékű
párhuzamos ellenállást és ideális karakterisztikát feltételezve).
A napelemek töltésszabályozói a beépített MPPT (maximális teljesítményű munkapont-keresés)
rendszernek köszönhetően a napelem-modulokból nyerhető legnagyobb kimenő teljesítményt
hasznosítják. A napelem-modulok többségének névleges feszültsége 12 V, de készülnek
kisebb és nagyobb (a szabvány 6, 12, 24, 48 V feszültségsorhoz illeszkedő vagy
átkapcsolható) névleges feszültségű modulok is. Példaként említjük, hogy egy
12 V névleges feszültségű modulban mintegy 30-40 darab egyedi kristályos szilícium
napelemet kapcsolnak sorba.
A szokásos, 12 V-os névleges feszültségű egykristályos (monokristályos) és
a polikristályos napelem-modulok kiválóan illeszkednek a 12 V-os rendszerekhez.
Ezzel ellentétben az amorf szilícium vékonyréteg napelem-modulok feszültsége
nem minden esetben igazodik a 12 V-os névleges szabványfeszültséghez, annál
nagyobb, 40-50 V.
4. ábra |
A gyártás során annak érdekében, hogy a napelem energiabefogása minél kedvezőbb
legyen, különféle műszaki megoldásokat alkalmaznak. A felületet különböző eljárásokkal
"rücskösítik", tükrözés-mentesítik vagy "lencsésítik". A napenergia minél jobb
hasznosítása érdekében ugyanis szükséges a felületi reflexió csökkentése. Ezért
a félvezető felületét gyakran texturálják. A technológiától függően a struktúra
egyszerűbb esetben véletlen elhelyezésű és méretű piramisokból (random pyramids)
áll, mint ez a 4. ábrán látható.
A kedvező napfénybefogáshoz számítógépes tervezésű, üvegprizmával ellátott
kiviteleket is készítenek. Más típusoknál a prizmás üveg és a speciális belső
tükrözés szolgál arra, hogy a napfény nagyobb körben szóródjon, energiája mind
jobban ki legyen használva.
Tudvalévő, hogy a napfény koncentrálására használt optikák igen sokfélék. A
gyakorlatban a korszerű megoldásoknál úgynevezett Fresnel-lencséket használnak.
A napsugarak optimális gyűjtéséhez szükséges, hogy a lencse tengelye a napra
irányuljon. Köztudott, hogy a napelem a Nap napi és éves mozgásához való igazítása
költséges és többnyire (helyhez kötött használat esetén) nem is lehetséges.
Ezt küszöböli ki a "minidóm" Fresnel-lencse. Az ilyen "minidóm" napfénykoncentrátor
egy elemét és metszetét, valamint modulját mutatja a 5. ábra. A napfény összegyűjtése
azonban nemcsak külső lencsékkel lehetséges, hanem az eszköz felületére "ragasztott"
lencsesorral is, mint ahogy a 6. ábra mutatja.
5. ábra | 6. ábra |
Mint már említettük, a napelemek hatásfokának növelése céljából a gyártás során különböző felületdurvítási (érdesítési) technológiákat dolgoztak ki a napfény reflexiójának csökkentése céljából. A kristályos szilícium napelem esetében annak felületén (lásd 7. ábra.) anizotrop marással 70,50-os nyílásszögű piramisokat alakítanak ki. Az érdesített felületre beeső napsugár egy része átlép a piramis felületén, más része pedig a szomszédos piramis lapjára reflektálódik. Az e módon érdesített felület reflexiója a sima felület 35%-os visszaverő képessége helyett csak 10%, AM1,5 sugárzási feltétel esetén. Ezen érdesített felület antireflexiós réteggel való bevonása kb. 3%-ra csökkenti a reflexiós veszteséget. A gyártástechnológiától függően a létrejövő piramisok lehetnek kiemelkedések vagy bemélyedések, úgynevezett inverz piramisok. Az ábra felső részén a különböző felületek reflexiójának változása látható a hullámhossz függvényében. Az alsó ábrarész a fény törését mutatja a maratott felületen.
7. ábra |
8. ábra |
A 8. ábrán három tipikusan eltérő megjelenésű, formájú napelem-modult láthatunk.
A felső képen kristályos szelettechnológiával előállított, a középsőn négyszögletes
szeletekkel kialakított, polikristályos Si-technológiával készült, az alsó
képen a folyamatos leválasztással előállított vékonyréteg (pl. a Si, vagyis
amorf szilícium) technológiával készített változat látható.
A 9. ábra felső részén egy tipikus monokristályos szilícium napelem-modul szobahőmérséklet
melletti I=f(U) jelleggörbéje látható, ahol paraméter a napsugárzás erőssége.
Ezen ábra alsó részén viszont az I=f(U) jelleggörbét különböző környezeti hőmérsékletek
esetén látjuk. A 10. ábrán pedig egy ilyen tipikus napelem-modul %-ban kifejezett
teljesítményének a környezeti hőmérséklettől való függését láthatjuk
Napelemmodul-kivitelek, tokozások
A napelem-modulokban a napelem-cellák hermetikusan elzárásra kerülnek a környezettől,
és a megfelelő konstrukciós anyagok megválasztásánál a gyártók gondosan ügyelnek
a tartósságra.
A tokozás módja függ a felhasználási módtól. A modult védő, merevítő szerkezet
többnyire hőkezelt, nagy szilárdságú és kis vastartalmú, a megvilágított oldalon
kiváló fényáteresztő, széltől, jégesőtől és más károsodástól védő üvegből készül.
Az üveg lehet a megvilágított oldalon, a hátoldalon vagy mindkettőn. A hátoldali
merevítő hordozó nem lehet átlátszó anyagból. A kisebb méretű modulok esetében
a három lehetséges cellatokozási elrendezést a 11. ábrán láthatjuk (1: átlátszó
hordozó, 2: napelem-cella, 3: átlátszó ágyazóanyag, 4: védőréteg, 5: átlátszó
védőréteg, 6: hordozó).
9. ábra |
|
14. ábra |
Nagyméretű modulok tokozására mutat példát a 12. ábra rajza. A felső rajzon
az üvegmerevítésű, az alsón pedig a fémlemez-merevítésű változat látható (1:
megvilágított oldali üveg, 2: átlátszó szilikon-kaucsuk, 3: a félvezető lapka
és az elektromos összeköttetés, 4: műanyagágy, 5: hátoldali üveg, 6: tömítés,
7: összeszorító elem, 8: rögzítőkeret). A két hőkezelt biztonsági üveg között
műanyagágyban helyezkednek el a néhány száz mikrométer vastagságú félvezető
lapkák. A homlokoldali (megvilágított oldali) üveg jó fényáteresztő képességű,
a hátoldali pedig a szimmetria miatt a termikus feszültségek kiküszöbölésére
szolgál. A napelem-tábla vastagságát, súlyát a konstrukcióból adódóan lényegében
a védő, hordozó üveg határozza meg. Létezik műanyag, illetve fém hátoldalú
eszköz is. Itt az eltérő hőtágulás okoz gondot. A hátsó oldal lezárására alumíniumot
vagy különleges műanyagokat használnak. A napelemek optikailag illesztett és
időtálló műanyagba kerülnek beágyazásra (etil-vinil-akrilát: EVA, poli-vinil-butirál:
PVB vagy speciális szilikongyanta).
10. ábra |
11. ábra |
12. ábra |
13. ábra |
A napelem-modulok a felhasználástól függően készülhetnek keret nélkül vagy
kerettel. A 13. ábrán kerettel ellátott modulok láthatók. A többnyire alumínium
keret esetében az azon kialakított furatok vagy kiépített kötőelemek teszik
lehetővé a tartószerkezethez történő rögzítést. A 14. ábra egy tipikus alumíniumkeret
metszetét mutatja (1: üveg, 2: ágyazó- massza, 3: napelem a védőfóliával, 4:
tömítés 5: alumíniumkeret). A rögzítőkeret a hordozófelülettől mintegy 34-68
mm elállást biztosít típustól függően. A keret nélküli kiviteleknél többnyire
a modul hátuljára erősítik a felerősítő szerkezetet (pl. felerősítő sín a DS40,
TS40 és BSC 40 amorf-szilicíum moduloknál). A korszerű napelem-modulok élettartama
legalább 30 év. A minőségi napelemmodul-gyártók többnyire 25 év teljesítménygaranciával
szállítanak.
Ferenczi Ödön