A napelemes rendszereknél előforduló hibák típusai
2014/10. lapszám | Szemler Zoltán | 15 155 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Napelemes rendszereknél az üzemeltetési idő növekedésével arányosan jelentkeznek hibák a modulon és az inverteren. A hibatípusok azonosítása és azok hatásai nemcsak a gyártóknak fontos információk, hanem a befektetőknek, a napelem-üzemeltetőknek és a kutatóknak is. Jelen cikkben a hibatípusok megvizsgálásához tizenegy hálózatra kapcsolt napelemes rendszer működésének és azok felügyeleti rendszerének hozam szerinti elemzésére került sor.
A hagyományos napelemtechnológia sikere a hosszú élettartalmú modulok és egyéb napelemes rendszerelemek megbízhatóságán alapszik. Hibák előfordulhatnak a napelemes berendezés különböző alrendszereinél, mint például modulnál vagy inver-ternél. A jelen cikk különösen a napelem és az inverter hibatípusaival foglalkozik, mivel ezek hatásai hozamcsökkenéshez vezetnek.
A napelemnél előforduló leggyakoribb hibatípusok: az árnyékolás/szennyeződés, a delamináció, a meghibásodott bypass diódák és kapcsolók, a nedvesség, az üvegtörés, a forró pont, az „öregedés” és a cellatörés, amelyeket különböző vizsgálati módszerekkel lehet megállapítani (DGS, 2010). Az inver-tereknél a hibák keresése jóval bonyolultabb, mivel sok esetben szabad szemmel vagy mérőműszerrel nem kimutathatók.
1999 óta a legtöbb napelem 25 év garanciával rendelkezik (Wohlgemuth, 2003). Emellett bizonyos invertergyártók ma már szintén 25 év garanciával számolnak (Sass, 2012). Fontos megemlíteni, hogy az elmúlt években egyre több kutatóközpont foglalkozik napelemes rendszerek elemeinek „élettartam” -vizsgálatával. Egy átfogó amerikai tanulmány szerint az átlagos éves öregedés 0,8% napelemes moduloknál (több mint 2000 modulnál mért eredmény). Szintén ez a tanulmány fogalmazza meg a leggyakoribb hibatípusokat: modulelszíneződés, hibás villamos csatlakozások, delamináció, törött cellák, korrózió, üvegtörés és rövidzárlat (Jordan és tsai, 2012).
A svájci székhelyű napelemlabor a berni főiskolán 1992 óta folyamatos méréseket végez invertereken. A meghibásodási arány 0,71-ről (1992) 0,1-re (2009) csökkent. Az átlagos inverter-életkor a néhány hónapról 95 hónapra növekedett. 2009-ben 73 inverternél nyolc év volt az átlagéletkor (Häberlin, Schärf, 2010). Ausztriában, a speciális támogatási rendszer következtében sokfajta napelemes rendszer, különböző teljesítménnyel létezik, ezek legtöbbször felügyeleti rendszer nélkül kerültek beüzemelésre. A megtermelt hozam, amely az átvételi árat képezi, adatvédelem alatt áll, nem nyilvános. Ezért jelent kihívást az osztrák kutatók számára, hogy tíz évnél idősebb berendezések működési állapotáról információhoz jussanak. A diplomamunka (Szemler, 2014) kiírása ennek keretén belül történt az Austrian Institute of Technology „napelemes részleg” megbízásából.
A következőkben tizenegy napelemes rendszer vizsgálati eredményei, következtetései és az azokra épülő javaslatok kerülnek bemutatásra.
Napelemes rendszerek kiválasztása
Az ATB Becker céggel való kapcsolatfelvétel után 21 osztrák napelemes rendszer megvizsgálására nyílt lehetőség. Ezek nagy része Tirolban és Salzburgban található, ám pénzügyi források hiánya miatt a helyszíni vizsgálatokra nem volt lehetőség. Továbbá három napelemes berendezésen történt vizsgálat, kettő a be nem üzemelt Zwentendorfi atomerőmű területén és egy a bécsi Energybase irodaház homlokzatán található.
Az 1. táblázat átfogó képet ad a megvizsgált napelemes rendszerek műszaki tulajdonságairól. Az elsőt 1998-ban, míg az utolsót 2012-ben helyezték üzembe. A legkisebb berendezés 5 míg a legnagyobb 250 kWp teljesítményű. A berendezések kivitelezése különböző, a legtöbb rendszer a tetőre telepített. A berendezések különböző üzemidővel rendelkeznek, amelyek átlagos ideje hat év.
Vizsgálati módszerek
Azért, hogy a hibatípusokat pontosan megvizsgáljuk és meghatározzuk, különböző vizsgálati módszereket kell alkalmazni. Öszszesen nyolc módszer került felhasználásra: kérdőív az üzemeltetőknek, szemrevételezés ellenőrző lista segítségével, teljesítménymérés, modul, valamint modulsor karakterisztikájának mérése, termográfia, elektrolumineszcencia- és hozamelemzés. Ezen módszerek csak részlegesen voltak alkalmazhatók a tizenegy napelemes rendszernél. Ennek okai a szállítási, időjárási nehézségekre vezethetők vissza. Az 1. ábra a vizsgálatok számát berendezésenként mutatja.
Vizsgálati eredmények és következtetések
A 2. táblázat a megvizsgált napelemes rendszerek hibatípusait ismerteti. Minden egyes berendezésnél a meghibásodott modul a teljes modulszámhoz viszonyítva kerül bemutatásra. Ugyanez érvényes az inverterekre is. A színek (piros, sárga és kék) a modul- és inverterhiba mértékét jelölik a hozamra vetítve, a legrosszabb esetben. A nagyon kritikus (piros szín) azt jelenti, hogy a modulok vagy inverterek azonnali cserére vagy javításra szorulnak. A kritikus (sárga szín) jelentése, hogy a csere vagy javítás középtávon szükséges. A kevésbé kritikus (kék szín) pedig nem igényel azonnali javítást.
Feltűnő a 2. táblázatban, hogy a legtöbb hibaforrás a Bécsi Műszaki Múzeum szabadon álló napelemes berendezésén található. Ennek okai a magas életkorra (14 év) és a rendszeres karbantartás hiányára vezethetők vissza. Szintén fontos tényező lehet a könnyű megközelíthetőség, ezért is került ilyen széleskörű vizsgálati módszer alkalmazásra. A leggyakoribb hibatípus a modulok árnyékolása/szennyezettsége. Az árnyékolási problémák, mint például erős szennyeződés a modulkeret és az alsó cella között, nem elhanyagolhatók, mert hosszú távon a rendszertelen tisztítás modulonként 33%-os hozamcsökkenést is okozhat. Növények vagy villámhárító rendszerek (2. és 3. ábra) akár modulonként 6%-os hozamcsökkenéshez is vezethetnek. A modulok szenynyeződése következtében akár 3%-os teljesítménycsökkenés is mérhető.
Négy berendezésnél a modulok „öregedése” következtében éves 1,3%-tól 2,1%-ig terjedő hozamcsökkenés volt mérhető az áram-feszültség karakterisztika alapján. A Zwentendorfi atomerőmű I. moduljai közül többnél 2,1%-os éves teljesítménycsökkenés volt mérhető négy év üzemidő után. Ahogy az elektrolumineszcencia mutatta, a cellák törése lehet az egyik ok (6. ábra). Egy másik vizsgálati módszer segítségével a felügyeleti rendszerek mérési adatai hozam szerint összehasonlíthatók. Ezen adatokból a teljes berendezés „öregedésére” lehet következtetni. A tizenegy napelemes berendezésből nyolcnál hiányoztak a mérési adatok (modulhőmérséklet, modulonkénti besugárzásmérés), ezért a teljesítményviszony (performance ratio) értékelésére nem volt lehetőség. Összesen három berendezés mért adatait (bécsi kertésziskola, Jägerhausgasse, bécsi Energybase irodaház, Zwentendorfi atomerőmű I.) lehetett a teljesítményviszony szerint kiértékelni, és azokat egymással összehasonlítani. A napelemes berendezéseknél a megvizsgált időszakban (2011 és 2012) nem volt jele hozameltérésnek. A vizsgálatok alapján arra lehet következtetni, hogy az új berendezéseknél hozamban és a teljesítményviszonyban minimális eltérés tapasztalható.
Három berendezésnél delaminált modulok láthatók szabad szemmel. A mödlingi SOL4 irodaháznál a legrosszabb esetben akár 28%-os hozamcsökkenés is lehet, amely ezért kritikus értékelést kapott. Azért, hogy a további hozamcsökkenést elkerüljük, a modulokat rövid- és középtávon meg kell vizsgálni, és ha szükséges, ki kell cserélni. A 4. ábra három 15 éves modul áram-feszültség karakterisztikáját mutatja. Erős dela-mináció következtében a 38276 sorozatszámú modul teljesítménye 27%-kal csökkent, amely éves 1,8%-os öregedésnek felel meg. Ez jóval magasabb, mint a szakirodalomban megtalálható 0,8%-os érték.
A Bécsi Műszaki Múzeum egyik moduljának keretén a delamináció következménye látható, egy cellakorrózió (5. ábra). Ennek következtében a rendszer felét ki kellett kapcsolni, amely 50%-os hozamveszteséget eredményezett. Ez a hibatípus ezért nagyon kritikus besorolást kapott. A szabadon álló Zwentendorfi atomerő- mű I. napelemes rendszerénél a hőkamerás vizsgálat során forró pontok mérhetők. Ezek a forró pont-effektusok modulonként akár a teljesítményvesztés harmadát is okozhatják, de ha a hiba csak egyetlen modult érint, akkor elhanyagolható hatása van a teljes berendezés hozamára. Az elektrolumineszcencia felvételen (6. ábra) megállapítható, hogy a törött cellák a forró pontok közelében helyezkednek el. Ezek közép- vagy hosszú távon magas hozamcsökkenéshez vezetnek. Az érintett modulok ezen kívül magas biztonságrizikót (tűzveszélyt) jelentenek, ezért kritikusak. A további hibák időben történő kiszűréséhez a modulok éves hőkamerás vizsgálata szükséges.
Hibás, illetve folyton vezető bypass diódák kizárólag egy napelemes rendszernél, a Zwentendorfi atomerőmű II.-nél mérhetők, hőkamera segítségével, ahol egy teljes modulsor túlmelegedett (7-8. ábra). Ha a folyton vezető bypass dióda az üzemelés közben tönkremenne, az az egész modulsort érintené. Ezért szükséges a meghibásodott modulokat minél előbb kicserélni, és éves hőkamerás mérésekkel az esetleges új hibákat időben felismerni.
„Csigacsík” csak a Zwentendorfi atomerőmű I. berendezésénél volt látható, de ez a hiba ebben az esetben nem kritikus. Azt, hogy a cellák a gyártásnál, a szállításnál vagy a telepítésnél külső nyomás hatására sérültek meg, a gyártó teljesítményadataival összehasonlítva lehetne megállapítani. A meghibásodott modulokat a kivitelező a gyári garancián belül köteles kicserélni. A legnagyobb negatív hatást a hozamra a „hibás inverter” hibatípus okozta. Három berendezésnél összesen kilencszer kellett invertert cserélni. A visszajelzések azt mutatták, hogy egy inverter átlagos életkora tíz év alatt van, ami megfelel a szakirodalomnak. A mödlingi SOL4 irodaháznál előfordult, hogy az inverterek meghibásodtak, de az üzemeltető csak hónapokkal később észlelte. Ilyen esetben mérhető hozamcsökkenés jelentkezik. Azért, hogy a jövőbeli invertermeghibásodás által keletkezett energiaveszteséget csökkentsük, a berendezéseket rendszeresen ellenőrizni kell.
A felmérés végső következtetése, hogy a napelemes berendezések kezelői/üzemeltetői túlságosan megbíznak a technológiában. A megrendelő megépítteti a berendezést, majd az üzemeltető nem törődik a gazdaságos működés biztosításával és a műszaki felügyelettel. Ezek alapján a következő javaslatok fogalmazhatók meg:
• napelemes rendszerek rendszeres karbantartása, amely magában foglalja a modulfelületek tisztítását és a berendezés elemeinek szemrevételezéses ellenőrzését,
• változtatások és a hibák dokumentálása,
• havi hozamok folyamatos felügyelete, becsült értékekkel való összevetése,
• árnyékot adó tárgyak, növények eltávolítása,
• 3-4 évente a napelemes rendszer teljesítménymérése és beüzemeltetési protokollal való összehasonlítása, beleértve a hőkamerás vizsgálatokat is,
• automatikus felügyelő rendszer beépítése, amely mérések segítségével (hőmérséklet- és besugárzásmérés modulszinten) összehasonlítja az eredményeket a becslésekkel, és egyben a rendszer gazdasági hatékonyságát is mutatja.
Összességében elmondható, hogy csak a fenti javaslatok figyelembevételével működtethetők gazdaságosan és hatékonyan a napelemes rendszerek.
irodalom
[1] Wohlgemuth J. H.: Long Term Photovoltaic Module Reliability, NREL/CD-520-33586, 2003, pp. 179-182. |
