Villanyszerelők Lapja

KörnyezetvédelemNapenergia

Napelemes rendszerek valós körülmények között I. - Hőpajzs funkció

2012. július 1. | Demjén Zoltán |  5279 | |

Az alábbi tartalom archív, 7 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Az utóbbi időben a napelemes elektromos áramtermelő rendszerekre, mint hosszú távú családi befektetésekre tekintenek a beruházásban gondol-kodók. Ebből a szempontból a napelemes rendszer(ek) iránt érdeklődőben két kérdés fogalmazódik meg elsősorban: mikor térül meg a befektetés (avagy milyen energiatermelési hozammal számoljon), és milyen típusú napelemes rendszerbe fektessen be. Monokristályos, polikristályos vagy vékonyfilmes modulokat alkalmazzunk? Napkövető rendszer vagy fix telepítésű legyen, és milyen tájolások lehetségesek? Ezek gyakori kérdések, melyeket általában újabbak követnek majd. A kérdések korrekt megválaszolása szakértelmet igényel, ezért érdemes a napelemgyártók, a napelemes rendszerintegrátorok vagy a gyártóktól független tervező és minőségellenőrző szakemberek tudásalapú szolgáltatásaira támaszkodni az önálló ismeretszerzésen kívül. A cikksorozat célja, hogy az ismeretszerzésen túlmenően gyakorlati ismeretekkel gazdagítsa a tisztelt olvasókat, és elősegítse döntéshozatalukat. Alapvetően kétféle napelemes rendszer létezik: a már megvalósított, és az, amelyiket még csak meg fognak valósítani. Ezért érdemes a lehetséges hibaforrásokon előre elgondolkodni, azokat lehetőleg előrelátóan kizárni. Ehhez ismeretekre van szükség. Jelenleg a napelemes rendszerek (a már megvalósított vagy tervezett rendszerek) esetében az energiatermelési hozamokat csak megközelítő számításokkal lehet prognosztizálni, statisztikai időjárási adatokra támaszkodva (OMSZ adatok), feltételezve a várható időjárás alakulását, azaz a napos és borús órák számának alakulását egész évben (1. ábra). Nem várható el a napenergetikai szakemberektől (sem önmagunktól), hogy hosszú távra abszolút pontos számadatokkal szolgáljanak az energiahozamokat illetően, hiszen az időjárási körülmények állandóan változnak. De kijelenthető, hogy a valós hozamokat a napelemes rendszerek műszaki adottságai, valamint a valós működési környezeti és időjárási körülmények együttesen fogják meghatározni. Fontos tény, amire minden napelemes rendszer esetében fokozottan figyelni kell – a rendszer „leggyengébb láncszeme” fogja meghatározni a végleges teljesítményt, azaz elég akárcsak egy hibás, részben vagy egészében beárnyékolt, avagy az előírttól eltérő teljesítményű modul a „füzérben” és oda a várt hozambőség. Mire támaszkodnak a napenergetikai szakemberek tervezői munkájuk során? Milyen tényezőket kell figyelembe vennünk a napelemes rendszerek tervezésénél? Elsősorban alapismeretekre, mint a Nap elektromágneses sugárzásának ismeretére (napfizika), a Föld légkörének és hatásának ismeretére (légkörfizika), a földfelszín és környezeti elemek tulajdonságainak ismeretére (geofizika) a napelemekben alkalmazott félvezető anyagok tulajdonságainak ismeretére (félvezetők fizikája), a napelemek és az alkalmazott felületi anyagok (front- és hátoldali) optikai tulajdonságainak ismeretére (optika, spektrográfia), a napelemmodulok hőtechnikai tulajdonsá- gainak és hőháztartásuk ismeretére (hőtan, termográfia), a napelemek elektromos és mecha-nikai tulajdonságainak ismeretére (elektromosságtan és anyagfizika), és még sorolhatnánk, de egyszerűbb, ha kiemeljük a legfontosabbakat, a napelemcella spektrális érzékenységét és konverziós hatásfokát, valamint működésének hőmérsékletfüggőségét.

A minősített gyártók rendelkeznek saját kutató-fejlesztő laborokkal, melyekben a fentebb említett ismeretekre támaszkodva termékfejlesztéseket végeznek. A kedves vásárlók ennek a munkának az eredményeit ismerhetik meg a termékek műszaki specifikációit olvasva, ahol feltüntetik, hogy a paraméterek értékei szabványos laboratóriumi körülmények között végzett mérésekre igazak. Ezt szerényen STC rövidítéssel (Standard Test Conditions) jelölik (értve ezalatt, hogy az irradiáció 1000 W/m2, a modul hőmérséklete 25 °C és a fény spektruma AM 1,5 szabványos). Természetesen szinte kizárt, hogy a valós életben ezek a laboratóriumi feltételek előálljanak. Erre a fejlesztők is rájöttek, így manapság egyre több gyártó adja meg a termékeire vonatkozó paramétereket, a valós körülményeket jobban megközelítő feltételeknek megfelelően, amikor végre nem azt tételezzük fel, hogy a napelemmodul cellahőmérséklete a tűző napon csak 25 °C, hanem hogy annál melegebb.

Az új jelölés a NOCT (Nominal Operating Cell Temperature), ami a cella vagy modul átlag 45 °C hőmérsékletére utal, ha az irradiáció 800 W/m2, a környezeti hőmérséklet 20 °C, a spektrum AM 1,5, a szélsebesség 1 m/s és a modul déli irányban 45° dőlésszöggel van tájolva. El kell ismerni, ez már valóban jobb megközelítés, de hol vagyunk még a valóságtól, ugyanakkor sejtetik velünk, hogy a napelemek működése erősen hőmérsékletfüggő (főleg igaz ez a kristályos napelemekre), hiszen rendre megadják, hogy milyen mértékben csökkennek a napelemek főbb elektromos paraméterei, ha a hőmérsékletük 1 °C-kal emelkedik – tehát fontos szempont a modulok hőmérsékletének alakulása valós körülmények között.

Vizsgáljuk meg a napelemek adottságait, mint energiatermelő generátorokét, a teljesség igénye nélkül, de kiemelve a számunkra fontosakat. A napelemek fotovoltaikus eszközök, azaz fényenergiát alakítanak át közvetlenül elektromos energiává, tehát a működésükhöz fényre van szükség. Csakhogy nem akármilyenre, hanem olyanra, melynek a spektrumában megvannak azok az elektromágneses hullámok, melyekre érzékenyek a napelemekben alkalmazott félvezetők. Sajnos a spektrum többi része, amit a napelemmodul nem konvertál, jelenleg a napelemek felesleges felmelegedését okozza, és hatásfokcsökkenéshez vezet (erről bővebben a cikksorozat következő részeiben olvashatnak).

A Nap elektromágneses energiasugárzási spektruma
A Napból a Földre érkező elektromágneses sugárzás széles spektrumú, a napenergia-hasznosítás szempontjából a napsugárzásnak a földfelszín egységnyi felületére egységnyi idő alatt merőlegesen beeső energiamennyiségének van jelentősége, számszerűen ez 1376 W/m2 (napállandó), amit közepes Nap-Föld távolságra (1 CsE – csillagászati egység, közel 150 millió km) értelmezünk, feltételezve, hogy a légkörünk a napsugárzás teljes elektromágneses tartományára áteresztő.

A spektrum jelölése AM 0. A valóságban a légkör elnyeli (abszorbeálja), viszszatükrözi (reflektálja) és széjjelszórja, reemittálja (diffúzió) a napsugárzás egy részét, így a földfelszínt merőlegesen, tiszta égbolt esetén globál 1000 W/m2 besugárzás éri (besugárzás intenzitása, nem tévesztendő össze a sugárzási energia, más néven irradiáció avagy energiasűrűség fogalmával, amit kilowattórában mérünk), a megváltozott (gyengült) spektrum jelölése AM 1. A tájolt és döntött felületre érkező spektrum az AM 1,5 jelölést kapta. A földfelszín a maga változatosságával és a rajta lévő tereptárgyak felületével egyetemben sugárzásvisszaverő képességgel rendelkezik a légkör felé, ezt nevezzük albedónak (az abszolút fehér test albedója 1, az abszolút fekete testé 0), amit oly sokszor megcsodálhatunk az űrből készült Föld-felvételeken.


Összegezve tehát ildomos
globál sugárzásról beszélni a napenergetikában, melynek komponensei a direkt napsugárzás és a légkörünk által szórt, tükrözött és reemittált (diffúz) sugárzása (beleértendő az albedónak nevezett földfelületről visszatükrözött sugárzás is). A légkörünk látható emittált sugárzási képességére jó példa a sarki fény, bár annak oka a Napból érkező nagy energiájú részecskék, a Földünk mágneses tere és a légkörünk kölcsönhatásában keresendő. Közép-Európában a globális sugárzás diffúz komponensének jut főszerep az időjárási megfigyelési adatok alapján. Tehát olyan napelemeket kell választanunk, melyek a direkt sugárzáson kívül az égbolt diffúz sugárzását is jól hasznosítják, annál is inkább, mert a diffúz sugárzásért felelős aerosolrészecskék száma légkörünkben az emberi civilizáció tevékenységének köszönhetően folyamatosan nő. Megjegyzés – a légkör diffúz sugárzása alatt a napfény reemittált sugárzását (fényszórást) értjük, a légkört alkotó anyagok részecskéi a rájuk eső fényt elnyelik és újra kisugározzák (lásd fotonika).

Szeretném felhívni az olvasók figyelmét arra a tényre, hogy a 47,50 szélességi körön a csillagászatilag lehetséges napfénytartam 4448 óra/év, ezzel szemben a napos órák száma az OMSZ (eddigi) adatai alapján 2000 óra/év. Nem tűnik fel senkinek a 2448 óra/év különbség, ami a szórt fényre esik? Pedig jelenleg (és várhatóan a jövőben is) ez dominál környezetünkben. A spektrum szélesebb kihasználására ad lehetőséget a többrétegű napelemcella, melyben minden rétegnek megvan a maga sajátságos érzékenysége. Az utóbbi időben a kutatások ebben az irányban mutatnak jelentős sikereket, az elért maximális hatásfok koncentrátoros több-rétegű napelemcellával 43,5%. És még egy kis kitérő, gondolatban – a természetben nemigen látni fákat, melyeknek egyoldalas lombkoronája vagy egyirányú levélzete lenne, a növényzet „rájött elég régen, hogy kerülendő az erős direkt besugárzás, és jobb az égbolt minden részéből érkező mérsékelt diffúz”.

3. ábra A háztetőre helyesen telepített napelemes rendszer „hőpajzsként” képes védeni a forró nyári napokon, ezzel csökkentve a tető és épület felhevülését, amit a termográfiai felvételek is igazolnak.

Talán ezt a természet adta útmutatást kellene mindinkább figyelembe venni a napenergia-hasznosítás során, aminek már vannak jelei, hiszen a korábban csak déli tájolású napelemes rendszerek mellett kezdenek megjelenni a kelet-nyugati tájolású rendszerek, főleg sík tetőfelületeken telepítve (egy későbbi részben fogunk foglalkozni vele behatóbban). Nézzük meg a 6. ábrát: a felvétel látványos. Látható a kelet-nyugati „delta” elrendezése a napelemmoduloknak, a tetőfelület így maximálisan kihasználható. Megjegyzem, ezt az elrendezést a vékonyfilmes napelemmodulokhoz fejlesztették ki elsősorban, melyek kevésbé érzékenyek az árnyékhatásokra, túlhevülésre, és „belekóstolnak” az infravörös energiahasznosításba.

Összegezve a fentieket, napelemes rendszereket optimálisan megválasztott típusú modulokkal lehet telepíteni a háztetőkre, jó energiatermelési hozammal számolva nemcsak déli tájolással. És elérkeztünk a családi napelemes kiserőmű telepítésének környezeti adottságai témakö- réhez, annak egyik legfontosabb eleméhez, a háztetőhöz, melyet a rá helyesen telepített napelemes rendszer „hőpajzsként” képes védeni a forró nyári napokon, ezzel csökkentve a tető és épület felhevülését, a légkondicionálás üzemeltetési költségeit, amit a termográfiai felvételek is igazolnak (3. ábra). A felvétel alapján a nyári napsütésben az adott cserepes tető hőmérséklete eléri az 50 °C-ot (lilás szín). A felvétel elgondolkodtató. Mivel magyarázható ez a magas hőmérséklet? A magyarázat alapját a napsugárzás tartományai adják, az energia eloszlása a Nap sugárzási spektrumában (a teljes spektrum értendő ezalatt, a röntgensugaraktól a rádióhullámokig), az energia eloszlása a napfény látható tartományában, és az építőipari anyagok fizikai tulajdonságai.

4. ábra: Mi történik, hogyan változik a tetőrész hőmérséklete, ha napelemeket telepí- tünk a tetőre? A választ egy termográfiai felvétel szolgáltatja.

A napsugárzás légkörünk felső határán az alábbi energiatartományokra osztható:
■ röntgen- és ibolyántúli sugárzás, részaránya 9%,
■ látható fény tartománya, részaránya 47%,
■ nem látható infravörös (hő) sugárzás, részaránya 42%,
■ rádióhullám-tartomány, részaránya 2%.

A napenergia-hasznosítás szempontjából a látható és az infravörös tartomány energiáinak a kihasználása lehetséges, ebből a fotovoltaikus generátorok döntő többsége jelenleg csak a látható fény tartományának egy részét hasznosítja, holott hatalmas energetikai potenciál rejlik az infravörös tartományban. Mi történik, hogyan változik a tetőrész hőmérséklete, ha napelemeket telepítünk a tetőre? A választ egy termográfiai felvétel szolgáltatja (4. ábra).

A telepített 20 kWp napelemes rendszer hőpajzs funkciója jól látszik, így a tetőfelület hőmérséklete 40 °C átlag (a zöldes-sárgás színű modulok jól kivehetően láthatók) lett (az épületenergetikában a 10 °C csökkenés jelentős hűtési költség-megtakarítást eredményez (köztudott, hogy az épületek hűtésére nyáron többet költünk, mint fűtésükre télen). A napelemek hőpajzs funkciója annak köszönhető, hogy útjába állnak a napsugárzásnak, anyaguk elnyeli és átalakítja elektromos energiává a beeső fény egy részét (lásd spekt-rális érzékenység), de a nem hasznosított sugárzás (a látható fény spektrumának jelentős része, valamint az infravörösnek a teljes része) a napelemek jelentős felmelegedését okozza.

6. ábra Látható a kelet-nyugati „delta” elrendezése a napelemmoduloknak, a tetőfelület így maximálisan kihasználható.

Természetesen igyekeznek spektrálisan szelektív felületekkel a nem hasznosítható napsugárzást visszatükrözni (a szolár üvegfelület már önmagában is tükröző felülettel rendelkezik), csökkentendő a modulok felmelegedését. Jelenleg ez egy köztes állapot, hiszen a cél az, hogy a fejlesztés alatt álló napelemek minél nagyobb spektrális tartományt hasznosíthassanak a jövőben.

A napsütés útjába álló fotovoltaikus napelem modul „telibe kapja” a felületére érkező teljes globális spektrumot. Ebből csak átlag 15%-ot hasznosít, alakít át egyenárammá, 85%-a az energiának a modul melegedését okozná, ha nem lenne egy közel 10%-os visszatükrözés.

Lehet, hogy bátornak hangzó kijelentés, de véleményem szerint a jövőben a napelemmezők tükröző felülete ellensúlyozni fogja a sarkvidéki jég olvadásával járó napsugárzás visszatükrözésének jelenlegi csökkenését (ami a globális felmelegedés egyik komponense). Másodlagos, de nem kevésbé fontos a napelemek szempontjából sem az, hogy a napelemmodulok és a tető síkja között a helyes távtartásnak köszönhetően természetes, a tetőt és napelemeket hűtő állandó léghuzat alakul ki.

Ezt a „kémény huzat” jelenséget az épületek természetes hűtésére az építőipar mára már felfedezte és alkalmazza. A napelemek félvezető anyagának viselkedése sajnos hőmérsékletfüggő, és elmondható, hogy minél magasabb az üzemi hőmérsékletük, annál kisebb az elektromos energiatermelésük (hozamuk).

Sajnos a természetes léghűtés a legtöbb esetben nem elegendő ahhoz, hogy a napelemmodulok hőmérsékletét 45 °C alatt tartsa, ezért kísérleteznek sok helyen kényszerhűtéses megoldással, pl. egy egységgé szerelik a napelemmodulokat és napkollektorokat, de ez már egy másik cikk tartalma.





Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem