A nap- és szélgenerátoros rendszerek egységei I.

2006/9. lapszám | netadmin | 6652 |

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 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

Villanyszerelők Lapja

A nap- és szélgenerátoros rendszerek egységei I.