Villanyszerelők Lapja

KörnyezetvédelemNapenergia

Napelemes rendszerek valós körülmények között II.

Árnyékhatás

2012. szeptember 1. | Demjén Zoltán |  9308 | |

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

Cikksorozatunk folytatásában a háztetőkön előforduló árnyékjelenségekkel és ezek hatásaival ismerkedünk meg, amelyekkel jó, ha tisztában vagyunk, mert ezekkel már a tervezés fázisában számolnunk kell. Napelemek telepítése során elsősorban a rendelkezésre álló felület geometriája a fontos a számunkra. Viszont figyelembe kell venni a tetőfelületeken gyakran előforduló konstrukciós kiemelkedéseket és az utólagosan szerelt, a tető síkjából kiemelkedő szerelvényeket, amelyek akár csak részlegesen is, de beárnyékolhatják a napelemeket. Emellett az árnyékhatás vizsgálatakor figyelembe kell vennünk a jelenlegi és a jövőben várható kiemelkedő környezeti tárgyakat, épületeket, növényzetet és domborzati viszonyokat is. Miért fontos erre odafigyelnünk? A napelemek esetében elsősorban hozamcsökkenést okoznak az árnyékjelenségek (főleg a kristályosoknál), másodsorban a napelem-modulok korai elöregedéséhez és a modulokban lévő cellák végleges meghibásodásához is vezethetnek. A napelemeket érő árnyékhatások szabad szemmel is megfigyelhetők, de a napelemekre gyakorolt hatásuk vizsgálatához infravörös termográfiát kell alkalmaznunk. A lejátszódó folyamatok ismertetéséhez és megértéséhez elengedhetetlen, hogy a napelemek felépítésével tisztában legyünk. Legegyszerűbb, ha a kristályos (mono- vagy polikristályos) cellaszerkezetű modulokat vesszük példának, ahol minden cellának megvan a maga sajátságos fizikai tulajdonsága és anyagszerkezete (a gyártás során, habár szériagyártásról van szó, gyakorlatilag két tökéletesen egyforma paraméterekkel rendelkező cella soha nem készül). A cellák közel azonosak az elektromos paramétereiket tekintve, azaz jól mérhetők a cellák által szolgáltatott feszültségek és áramerősségek a megvilágításuk során, a mért értékek alapján a cellákat osztályozzák. Megjegyzem, hogy gyártói laboratóriumi körülmények között, alacsony hőmérsékleten mérnek (természetesen jelentősen magasabb hőmérsékleteken a cellák által szolgáltatott értékek eltérők lesznek, utalok itt a valós működési körülményekre, amelyek közé a modulok majd kerülnek). Az így osztályozott és kiválogatott, közel azonos paraméterekkel rendelkező cellákból készítik el a napelemmodulokat (elvben). Gyakorlatilag a modulok gyártása során előfordul, hogy jelentősen eltérő paraméterekkel rendelkező cellákat építenek be a modulokba, amit ránézésre kizárt észrevenni.

2. ábra A felvételt egy átlagosan forró nyári napon készítettem, a napelemek déli tájolással voltak elhelyezve, az irradiáció 927 W (tiszta égbolt, erős napsütés, környezeti hőmérséklet 40 °C) volt. 1. zöldes szín, átlag 52,5 °C hőmérséklet, közel azonos paraméterű, jó cellák 2. pirosas szín, átlag 65 °C hőmérséklet, eltérő paraméterű cellák 3. lilás szín, 70 °C a cella hőmérséklete, ami már anyaghibás cellára utal 3. ábra Az eljárás a szokásos, kitesszük a napra és rövidre zárjuk a kivezetéseket, meglepő dolgokat láthatunk a felvételeken. A korábbinál barátságosabb a látvány, csak a sarkoknál láthatunk kiemelkedően magas (hosszantartó esetben már a cellákra maradandóan káros) hőmérsékleteket, ami annak köszönhető, hogy a gyártók minden egyes keretes modult „becsomagolnak” a sarkoknál egy háromszög- szerűen hajtott kartonlappal, védendő a sarkokat a mechanikai sérülésektől.
   

A cellákat a gyártás során sorba kötik (füzérezik, létrehozva modulon belül a „string”-eket) a megfelelő modul-feszültségszint eléréséig, az áramerősséget pedig a cellasorok párhuzamos kapcsolása adja (hasonlóan alkalmazzuk a szárazelemeket, akkumulátorokat stb.). Ha a cellák más-más feszültséget és áramerősséget produkálnak, természetesen más és más a belső elektromos ellenállásuk, a sorba és párhuzamosan kötött cellákon átfolyó áram ennek köszönhetően más és más mértékben fogja az eltérő cellákat felmelegíteni. Ezek a felmelegedett cellák már jól láthatók az infravörös termográfia eszközeivel, amit néhány mellékelt felvételen bemutatok. A 2. ábrán látható felvételt egy átlagosan forró nyári napon készítettem, a napelemek déli tájolással voltak elhelyezve, az irradiáció 927 W (tiszta égbolt, erős napsütés, környezeti hőmérséklet 40 °C) volt.

4. ábra (4a, 4b, 4c) 1. a modul celláira a cső által vetített árnyék 2. és annak hatása kritikus hőmérsékletemelkedést eredményezett a cellán, a hőfok 102 °C, ami már maradandó károsodást fog okozni, akár öngyulladást is!
 
4a. 4b.

 

4c. ábra: A termográfiai elemző szoftver lehetőséget ad egy szabadon választott profil mentén a hőmérséklet egyértelmű értékelésére. Tévedés kizárt, sajnos a cellák „begerjedtek”.

A modult egyszerűen „rövidzár” állapotba kapcsoltam (megengedett, mert pl. a sziget-üzemmódban dolgozó, akkumulátort töltő napelemeket az akkumulátor túltöltöttsége esetében a vezérlő pontosan ebbe az üzemmódba kapcsolja), így a modul önmagára „dolgozott”, és a cellákon átfolyó áram megtette a hatását, láttatva a túlmelegedett cellákat. Az igazsághoz tartozik, hogy ez a modul egy jó nevű kínai gyártó sorozatban gyártott terméke volt, ahol a gyártás során sajnos nem alkalmaztak még infravörös termográfiát a gyártásminőség ellenőrzéshez. Megjegyzem, hogy csak kevés gyártó jelzi hivatalosan, a weboldalán vagy a termék prospektusában, hogy a gyártásfolyamatban termográfiai mérőeszközöket és vizsgálatot, vagy az elektrolumineszcenciás eljárást alkalmaz a hibás cellák és modulok kiszűrésére, holott ezek a gyártók kínálják a legmegbízhatóbb modulokat.

Létezik egy zártkörűen kezelt lista, melyen szerepelnek a megbízható gyártók, amely nem publikus, elkerülendő a gyártók közötti megkülönböztetéseket, de a kedves olvasó vagy vásárló bármelyik gyártónak, képviselőnek vagy napelem-forgalmazónak felteheti a kérdést egy kiállításon, hogy az adott modulokat a gyártás során az STC és NOCT méréseken kívül hogyan minősítették. Meglepő válaszokat fognak kapni még a jól képzett szakemberektől is… Remélem, hogy a fenti példával sikerült rámutatnom a mondandóm lényegére, miszerint a cella megváltozott ellenállása, avagy a rajta átfolyó áram(erősség) hőhatása vezet a cella felhevüléséhez. Most már rátérhetek a cellákat érhető árnyékhatások bemutatására és azok következményeire.

 

5. ábra (5a) Az árnyékhatás egy másik szemszögből és más színárnyalattal, ám a két cella hőmérséklete itt is 100 °C feletti.
5a.

Példaként vegyünk egy „bontatlan” napelemmodulról készült termográfiai felvételt (3. ábra). Az eljárás a szokásos, kitesszük a napra és rövidre zárjuk a kivezetéseket, meglepő dolgokat láthatunk a felvételeken. A korábbinál barátságosabb a látvány, csak a sarkoknál láthatunk kiemelkedően magas (hosszantartó esetben már a cellákra maradandóan káros) hőmérsékleteket, ami annak köszönhető, hogy a gyártók minden egyes keretes modult „becsomagolnak” a sarkoknál egy háromszögszerűen hajtott kartonlappal, védendő a sarkokat a mechanikai sérülésektől.

A csomagolást, amely általában a sarokcelláknak pontosan a felét leárnyékolja, kihasználhatjuk földi kontrollra a telepítések előtt, de ne feledjük azokat eltávolítani a modulok rendszerbe kapcsolása előtt.

Ha egy napelemcellát részben beárnyékolunk, akkor annak elektromos ellenállása megváltozik. Mondhatni, hogy a sorba kötött cellák esetében a beárnyékolt cella „polaritást vált”, terhelésként viselkedik az áramkörben, „magára vonva” a többi, vele egy sorba, valamint párhuzamosan kötött cella által termelt energiát, végső soron csökkentve a modul által termelt energiát, összességében pedig a napelemes rendszer hozamát. Rendszer szintjén a „leggyengébb láncszem” elve érvényesül sajnos, ezt vegyük figyelembe.

A gyártók is tisztában vannak ezekkel a jelenségekkel, és úgynevezett áthidaló diódákkal (bypass diode), melyeket általában a kivezetés csatlakozó dobozaiban helyeznek el, igyekeznek kizárni a közös termelésből azokat a stringeket, melyekben valamilyen rendellenes okból „túláram” jelentkezik. Sajnos ezeknek a diódáknak is megvan a kapcsolási munkapontjuk, melyet ha nem érnek el, akkor nem „terelnek el” áramot, vagyis a cellák továbbra is felemésztik a termelés egy részét.

Hát itt az egyik magyarázata, hogy a napelemes rendszerek hozama miért is lehet kevesebb a számított minimumnál. Megjegyzem, hogy az űrtechnikai eszközöknél alkalmazott napelemmoduloknál minden cella és string kap egy bypass diódát, remélem, most már mindenki számára érthető okokból, amely többek között magyarázata a jelentősen magasabb árnak. Tekintsük meg az illusztrációkat (4-6. ábra) és olvassuk el a hozzájuk írt kommentárokat.

Ezek után megérthetjük, hogy a különböző árnyékhatások miért okozhatják a rendszerek vártnál alacsonyabb hozamát. És akkor még nem is beszéltünk az őszi levélhullásról, amikor több nem várt esemény is bekövetkezhet, ugyanis a napelemmodulok felületén véletlenszerűen megtapadó falevelek is okozhatnak károkat és hozam- csökkenést. Ám ezek a jelenségek még közel sem merítik ki a lehetséges hibaforrásokat, ugyanis a napelemmodulokban előfordulnak még részben vagy egészében zárlatos cellák és pontok.

Ezeknek a feltárásával egy következő cikkben foglalkozom. Nyomatékosan szeretném felhívni a figyelmet arra a tényre, hogy az úgynevezett vékonyfilmes napelemmodulok jobban tűrik az árnyékhatásokat.

 

6. ábra (6a, 6b, 6c) 1. Minimális árnyék is jelentős probléma forrása lehet; 6a
   
6b 6c 1. 92,8 °C a maximum hőmérséklet. 2. Az árnyék napelem felületén való „vándorlásának” nyomai.
   

Ennek az oka az ilyen napelemek konstrukciójából ered, ahol a félvezető rétegek vékonyak, és a keskeny cellák a modulokon teljes hosszanti avagy keresztirányú kialakítással készülnek (a keskeny és hosszú csíkok a napelemmodulon széltől szélig futnak a teljes felületen). Az ilyen „csíkos” cellákat érő árnyékok csak nagyon kis részt árnyékolnak be egy időben a cellákon, azaz a cellák ellenállása kis mértékben fog csak változni. Ezt a gyakorlati tapasztalatok is alátámasztják, hiszen a vékonyfilmes napelemes rendszerek bár kisebb névleges teljesítménnyel rendelkeznek, de a teljes év folyamán nem ritka, hogy „rávernek” a kristályos társaikra akár 10%-os hozambőséget is ugyanolyan körülmények között. Ez azonban nemcsak az árnyéktűrésüknek köszönhető, hanem annak is, hogy jobban tűrik a magas valós üzemi hőmérsékleteket, és a diffúz fényt is jobban hasznosítják. (folytajuk)

 

ÁrnyékhatásNapelemNapenergia


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

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem