Villanyszerelők Lapja

KörnyezetvédelemNapenergia

Napelemes rendszerek valós körülmények között III. rész

2012. október 18. | Demjén Zoltán fizikus, tudományos szaktanácsadó |  4540 | |

Az alábbi tartalom archív, 6 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A cikksorozat előző részében a napelemmodulokban fellépő árnyékhatásokkal foglalkoztunk, e havi cikküket onnan folytatjuk. Ezeket a jelenségeket a környezeti tárgyak által vetített árnyékok okozzák, melyeket napos időben könnyű észlelni és feltérképezni a helyszínen, akár műszer nélkül is. Azonban az egy bizonyos időponthoz kötött vizsgálódás megtévesztő lehet, ugyanis a tereptárgyak vetített árnyékai változnak nemcsak a nap folyamán, hanem éves összevetésben is.A járása során folyamatosan változik a Nap látóhatár fölötti magassága, ami az árnyékok vándorlását és az árnyékok vetített hosszúságának változását okozza (nyáron rövidebbek, télen hosszabbak az árnyékok – ezt veszik figyelembe a napelemek telepítésénél, mint betartandó sorköz-távolságot).

Az árnyékhatások oly mértékben okoznak termelési hozam- (bevétel) csökkenéseket és olyannyira összetett az okok feltárása, hogy erre a kérdéskörre kiemelt figyelmet fordítanak a rendszereket tervező szakemberek. A kérdés fontosságát jelzi, hogy mára már a komoly tudással felvértezett napenergia-rendszer tervezőszoftverek szimulálni képesek ezeket a jelenségeket – már a tervezőasztalnál. Mindenképpen célszerű megismerkedni ezekkel a szoftverekkel (nemcsak az árnyékhatások előre modellezése miatt), annál is inkább, mivel a fejlesztő cégek jóvoltából ezeket a programokat ingyenesen kipróbálhatjuk (természetesen az ilyen próbaszoftverek szépséghibája, hogy csak bizonyos mértékű korlátozottság mellett ismerkedhetünk velük).

A tervezőszoftverekkel lehetőségünk van a napelemek elhelyezését, tájolását, dőlését, a sztringek kialakítását, az inverterek optimalizált kiválasztását elvégezni a termelési hozam maximálissá tétele érdekében, mindezt tényleges beruházás nélkül. Nem beszélve arról, hogy az elképzeléseinket módosíthatjuk, és újratervezhetjük a rendszert (hozzáadhatunk vagy elvehetünk modulokat, sorközt változtathatunk stb.). A szoftvereken kívül természetesen megjelentek a hordozható kézi mérőműszerek is, melyekkel adott konkrét geográfiai pontokon lehet helyszíni vizsgálatokat végezni. Az eszközök képesek kivetíteni az adott pontra érvényes egész éves napjárást (egy háló formájában) és az annak útjába eső tereptárgyakat, és az egybevetéssel megállapítható a helyszín tényleges benapozottsága.

Hab a tortán ebben a témában, hogy az okostelefonnal rendelkezők különösebb ráfordítás nélkül elvégezhetik a helyszínek ellenőrzését, ugyanis letölthetők rájuk olyan alkalmazások, melyekkel úgyszintén elvégezhető egy adott helyszínen a várható árnyékjelenségek feltérképezése. Ezen kis kitérő után térjünk vissza pár fotó és mondat erejéig az árnyékhatásokhoz. Előző cikkünkben bemutattuk, hogy nem kell nagy árnyék ahhoz, hogy a napelemes rendszerünk kevesebbet termeljen. A megdöbbentő eredményhez elég annyi, hogy a villámhárító árboc árnyéka „végigvándoroljon” a napelemek felületén. Sok esetben a faágak árnyékai is ugyanezt eredményezik. Akármennyire is azt állítja a szakember, hogy az nem számít – mert ugye mondani aztán mindent lehet –, a tulaj meg nem mászik fel simogatni a napelemmodulokat0, hogy forrósodnak vagy sem. Azoknak a napelemes rendszer-tulajdonosoknak, akiknél fennáll a faágaktól való „kicsinyke” beárnyékolás lehetősége is, javaslom a telepített rendszer mihamarabbi termográfiai vizsgálatát.

1 . ábra Nem kell nagy árnyék ahhoz, hogy a napelemes rendszerünk kevesebbet termeljen, mert elég, ha csak a villámhárító árbóc árnyéka „végigvándorol” a napelemeken. és megdöbbentő eredményt produkál.

2. ábra Más szemszögből és más modulon sem jobb a helyzet, és még csak kora délelőtt vagyunk időben. A felvétel tanúsága szerint az árboc árnyéka már kettő cellát gerjeszt.

3 . ábra Pontszerű jelenség, magas hőmérséklettel. Forró pont: a normál optikai felvételen sajnos semmit nem észlelünk ebből a jelenségből, mindaddig, amíg a napelemet és cellát is romboló hatása be nem következik.

4 . ábra A jelenséget csak kellő érzékenységű hőkamerával és megfelelő rutinnal lehet feltárni. A felvétel alapján még csak sejteni lehet a forró pont kialakulását.

Figyelem! Az árnyékhatások által okozott modul-meghibásodások nem gyártói hibák. A gyártói laboratóriumokban képesek megvizsgálni a kifogásolt napelemmodulokat, melyek anyaga magán viseli az árnyékhatások hőnyomait, tehát ilyen esetben ne számítsunk garanciális cserére a gyártó részéről. Persze más a helyzet a kivitelezővel, bár ők is mentesülnek részben a felelősség alól, ha tájékoztatták a tulajdonost a várható káreseményekről, de meghajoltak a tisztelt vásárló/tulajdonos akarata előtt, amit sok esetben csak esztétikai okok motiváltak. Térjünk rá a cikk címében megjelölt „forró pont” jelenségre. A problémát vizuálisan nem fedezhetjük fel időben, csak megfelelően precíz hőkamerával készített termográfiai felvételek alapján tárhatjuk fel.

Míg a korábban tárgyalt árnyékjelenség műszer nélkül is megfigyelhető, a „forró pontra” csak műszeres vizsgálattal találhatunk rá, eszköz nélkül csak a romboló utóhatásait fogjuk tapasztalni. A „forró pont” egy pontszerűen megjelenő jelenség, melyet kirívóan magas hőmérséklet jellemez – tulajdonképpen innen kapta a találó elnevezését is, a külföldi szaknyelv „hot-spot” effektus néven említi. A normál optikai felvételen sajnos semmit nem észlelünk ebből a jelenségből, mindaddig, amíg a napelemet károsító hatása be nem következik. Nem mindennapi feladat lencsevégre kapni a jelenséget, mert lavinaszerűen fejlődik ki, és csak bizonyos körülmények esetén „indul be”. Ez alól kivétel természetesen az állandósult jelenség, ami már végleges napelemmodul-meghibásodást bizonyít. Csak kellő érzékenységű hőkamerával és megfelelő vizsgálati rutinnal lehet feltárni az ilyen jelenségeket. A hangsúlyt a megfelelő érzékenységű hőkamerára helyezem, amelyhez profi eszköz szükséges, ugyanis ennek a jelenségnek a korai fázisában való lokalizálása a mindennapokban használt, az elektromos hálózati hibák feltárására alkalmazott szerény tudású hőkamerákkal igencsak körülményes.

A környezeti hő „háttérzaja”, a többi tárgy és test visszatükrözött hősugárzása, a kijelző optikai csillogása, a kis képfelbontás és termikus érzékenység mind-mind zavaró tényező, mert a keresett jelenség kezdetben igencsak kisméretű, és hőmérséklete alig tér el a környezetétől. Nagy távolságokból ne is próbálkozzunk a jelenség keresésével, ugyanis arra tényleg csak a speciális objektívvel szerelt kutató hőkamera alkalmazható. Azonban legyünk tisztában azzal is, hogy egy kutató hőkamerával végzett vizsgálat díja merőben más összeg, mint egy normál eszközzel végzett vizsgálat költsége. Viszont az európai gyakorlat azt mutatja, hogy a napelemes rendszereket üzemeltetőknek vagy tulajdonosoknak megéri a vizsgálatokat megfizetni (akár évi rendszeres vizsgálatokat is). Ugyanis a rendszerük a hibák feltárása és elhárítása után átlag minimum 10%-kal több energiát termel a továbbiakban (erőművek esetében ez jelentős szám!).

■ A „forró pont”

Térjünk vissza az anyagi világtól az elmélethez, és fogalmazzuk meg bátran a kérdést: mi is ez a jelenség, és mit is okozhat? Legtöbb esetben a „forró pont” kialakulása a napelemcellában anyaghibából (szenynyezett félvezető) ered – a félvezető p-n átmenet lokális összeomlása, megsemmisülése folytán rövidzárlati pont alakul ki. Más esetekben a cella áramkivezetője és a nagyáramú gyűjtősín (busz) lokális forrasztási hibája (ez is anyaghiba, de nem a félvezető napelemcelláé). A káros hatása a termelésre egyértelmű, csakhogy ezen felül bizonyos körülmények között a napelemmodulok végleges, viszszafordíthatatlan sérüléséhez is vezet. Ezek a „forró pontok” egyértelműen a gyártóra visszavezethető hibák, amit mára már a gyártók elismernek, ha tudjuk azokat bizonyítani termográfiai felvételekkel és szakemberek tudásalapú szolgáltatásán nyugvó jegyzőkönyvekkel.

A „forró pont” jelenség fizikai hátterének magyarázatára vállalkozni szemléltető ábrák nélkül majdnem lehetetlen feladat, és a cikk terjedelmi korlátai válaszút elé állítanak: vagy a valós felvételeket, vagy az elméleti ábrákat és grafikonokat mutatom be. A valós felvételek mellett döntöttem, és rábízom a tisztelt olvasókra, hogy az internet adta lehetőségeket kihasználva rákeressenek a témára külföldi honlapokon, mert magyar nyelven nemigen találni megfelelő publikációt. A kulcsszó, ahogy fentebb is említettem, a „hot-spot”. Na de vágjunk bele, és mélyedjünk el kicsit a félvezetők világába. Az, hogy hogyan hozzák létre a félvezetőket, a villanyszerelő szakmában sokak számára ismert, de azért röviden kitérek rá (konkrétan a napelemek esetére).

A „forró pontot” csak kellő érzékenységű hőkamerával és megfelelő rutinnal lehet feltárni.

A legelterjedtebb alapanyag, amit a napelemek gyártásánál alkalmaznak, jelenleg a szilícium. A cellák gyártása során szilárd, kristályos vagy polikristályos szerkezetű az alapanyag, míg a vékonyfilmes napelemek gyártása során gáz halmazállapotú, ún. szilángáz az alapanyag. Minden esetben alapvető követelmény a nagy tisztaság, értem ez alatt, hogy pl. a szennyező anyagok jelenléte atomi szinten egy a millióhoz (1 ppm) vagy ennél is kisebb legyen. Az alkalmazás szempontjából az anyag ohmikus ellenállása a kulcsfontosságú tényező. A napelem-minőségű szilíciumot nagyméretű kristályos tömbökké (kerek, hosszúkás forma) növesztik, ami külön tudomány. A tömböket megformázzák (kerek, sokszög vagy négyzetes alakúra) és szeletekre vágják.

A szeleteket mesterségesen „beoltják” az arra a célra megfelelő anyaggal (dópolják), melynek atomjai diffundálnak a szilíciumba (ez sok esetben foszfor) bizonyos mélységig. Kialakul egy térbeli új struktúra, van, ahol a dóp anyag atomjai vannak többségben, és van, ahol a szilícium. A dóp anyag általában elektronhiányos, így a szilíciumtól tartósan kölcsönvesz elektronokat, ennek következtében ebben a rétegben elektrontöbblet jelenik meg, ezt nevezik n-típusú rétegnek, ahol a negatív töltés dominál. Ezzel egy időben, de térben pl. párhuzamosan kialakul az elektronszegény réteg, ahol az elektronhiány miatt a pozitív töltés dominál, ez a p-típusú réteg. A napelemcelláknál a gyártás során kialakított kivezetések ennek megfelelően lesznek pozitív vagy negatív elektródák, attól függően, hogy milyen rétegekhez kapcsolódnak. Megjegyzem, hogy az elektródák hibás érintkezési felülete lehet az egyik oka a „forró pont” kialakulásának. A két réteg határvonalán kialakul egy ún. p-n átmenet, ami a félvezetők kulcsa, és ennek megfelelően kiemelt szerepe van az új típusú napelemek fejlesztése terén. Az átmenet természetes térbeli töltéseloszlás kialakulásával jár, aminek elektromos erőtere van.

A „forró pontot” csak kellő érzékenységű hőkamerával és megfelelő rutinnal lehet feltárni.

A normál optikai felvételen sajnos semmit nem észlelünk ebből a jelenségből, mindaddig, amíg a napelemet károsító hatása be nem következik.

Külső behatással – a napelemek esetében beeső fotonokkal – a félvezetőben elektronok szabadíthatók fel, amelyek ha nem rekombinálódnak és megfelelő energiával rendelkeznek, átléphetik a határvonalat (tiltott sáv), és külső áramkör rákapcsolásakor teszik a dolgukat, áram folyik a vezetőkben. Ha a p-n átmenet megsérül vagy helyenként gyengébb a félvezetőben, úgy ohmikus ellenállása megváltozik, és bizonyos esetekben vagy nagy ellenállásúvá válik, vagy kis ellenállású söntként viselkedhet, és „átüthet”. Az átmenet sérülésének valószínűségét a napelemcellák hőmérsékletének emelkedése csak fokozza. Ha visszagondolunk arra, hogy az árnyékhatások mit okoznak, akkor érthetővé válik, hogy előbb vagy utóbb tartósan sérül a p-n átmenet, és azt a „forró pont” megjelenése bizonyítja (az elektromos energia ott hőenergiává alakul). Ha egy részét a napelemcellának beárnyékolják, a cella felmelegszik olyan szélsőséges hőmérsékletre, hogy a cella anyaga, a tokozás (EVA) és a hátlap véglegesen megsérülhet.

Ezek a fizikai nyomai a „forró pont” kialakulásának. A normál működés szerint a cellák áramot termelnek megvilágításuk hatására, ezzel szemben egy árnyéknak kitett cella nem termel áramot a behatás ideje alatt, de használja a többi, vele sorba kötött cella által termelt áramot, ami rajta hővé alakul. Ekkor kellene az elkerülő diódáknak beavatkozniuk az áram „elterelésével”, de ha maguk is hibásak, vagy a működési küszöbértékük alatt történik mindez, akkor nem reagálnak. A „forró pont” effektus tartósan kialakulhat és terjedhet. Azokat a napelemmodulokat, melyeken termográfiai ellenőrző vizsgálatok során felfedezhetők a „forró pontok”, anélkül, hogy megvárnánk a modul látható sérülését, ki kell cserélni.