Villanyszerelők Lapja

KörnyezetvédelemNapenergia

Mismás III: Az okok a napelemekben keresendők?

2014. szeptember 15. | Demjén Zoltán |  3640 | |

Az alábbi tartalom archív, 5 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Kezdjük egy érdekes ténnyel: a napelemcellák előoldali felületét behálózó áramgyűjtő kontaktusháló a központi szélesebb buszokkal együtt 4-6%-kal leárnyékolja a cellák felületét már gyári állapotban. Ez sajnos hatásfokcsökkenést okoz, amivel tisztában vannak a napelemek fejlesztésével foglalkozó szakemberek is.

Az egyik korábbi cikkemben volt már szó arról, hogy a kristályos napelemekre, éves termelés szintjén, nem ritka, hogy „rávernek” a vékonyfilmes napelemek, aminek egyik oka pontosan az, hogy utóbbiak felületén a kontaktusréteg más kialakítású (nem látunk rajtuk kontaktushálót), ezért az ilyen rács árnyékhatást sem okoz. A korrektség okán hozzá kell fűznünk, hogy a vékonyfilmmodulok a kristályosokhoz képest a valós üzemeltetési körülmények során adódó (45 fokot jóval meghaladó) magas üzemi hőmérsékleteket is jobban bírják, ami a hozambőségük másik oka. A napelemmodulokhoz mellékelt terméklapokon és műszaki leírásokban általában „hőmérsékleti állandók” néven említik az ezt jellemző fizikai paramétereket, és azok gyári mért értékeit minden esetben feltüntetik. A számszerű értékek előtt minden esetben ott a negatív előjel, tehát nem vitatéma, hogy a napelemek felhevülése hozamcsökkenést okoz. Természetesen a napelemfejlesztők keresik a különböző hűtési megoldásokat, ám egyszerű, olcsó, hatékony megoldás ezidáig nem született (a fejlesztés lehetősége mindenki előtt nyitva áll). Érdemes tehát megemlíteni, hogy a háztetőkre szerelt napelemes rendszereknél minden esetben gondoskodjunk a megfelelő távtartásról a napelemmodulok és a tető síkja között, amivel jó természetes hűtés érhető el a huzathatásnak köszönhetően. A napelemcellák megvilágított oldali áramgyűjtő kontaktusainak és azok kialakításának témája olyannyira fontos a napelemek gyártói számára, hogy a napelemek kutatás-fejlesztésének területén is egy önálló életet élő szakmai területté vált, és a napelemek hatásfoknövelésének egyik kulcskérdése lett. Gondoljunk csak bele, a fémes anyagból kialakított vezető rétegnek kell mindenféle körülmények között megbízható érintkezésben lennie egy félvezetőkristály anyagával. Már az érintkező felületek kialakítása is művészet! A félvezető napelemcellák felületét speciális módon elő kell készíteni a fémes kontaktusanyag fogadására (tapadására), ami egy kényes, nagy tisztaságot igénylő művelet, nem beszélve magáról a fémesítést elősegítő eljárásról, anyagról. Ha a kontaktusrétegek kialakításának során hibák merülnek fel a napelemcellák gyártásában, akkor bizony igencsak nagy mennyiségű napelemcella megy a kukába.

Visszatérve a kontaktusrács által okozott árnyékolásra, természetesen a gyártók igyekeznek azt csökkenteni, és sok turpisságot bevetnek (pl. eltemetett kontaktusok), akár látványosan is megváltoztatva a rácsok hagyományos geometriáját. A napelemekben előforduló hibák egy másik része az áramgyűjtő kontaktusokkal és buszokkal függ össze, mert elég hozzá egy anyag- vagy forrasztási hiba, hogy nagy elektromos ellenállású érintkezések keletkezzenek gyártás közben. Ezzel elérkeztünk a „mismás” újabb lehetséges okához. A buszoknak nevezett szélesebb fémszalaggal való cellaösszekötések, a cellafüzérek kialakítása forrasztással történik, ami lehet akár ultrahangos is. Mindkét esetben komoly fizikai hatás éri a cellák egész anyagát, ami akár a cellákban esetlegesen meglévő mikro-repedések kezdeményeire is ráerősíthet.

Mielőtt a napelemek elnyerik végső formájukat, a cellák egy sor munkafolyamaton mennek keresztül, fontos tehát a folyamat végén a cellák anyagának, a kialakított kontaktusok minőségének az ellenőrzése. Erre a célra az egyik legjobban bevált megoldás a gyártósorba integrált aktív termográfiai minőségellenőrző állomás (PV-LIT). Hogy az állomás mire képes a cellák ellenőrzésének szintjén, azt jól szemlélteti a 8-as kép. Megnyugtató, hogy mára sok elismert nemzetközi gyártó alkalmaz ilyen és ehhez hasonló minőségellenőrzési eljárásokat a gyártás során, így nagyobb bizalommal lehetünk a termékeik iránt. De vajon hányan vannak?

Miért van szükség egy napelemmodulon belül annyi cellára és azok összekötésére?

A válasz egyszerű, azért, mert egy napelemcella átlagosan 0,5 V feszültséget produkál a maximális teljesítményű munkapontban (MPP). Ha 18 V-ra van szükségünk, akkor 36 „azonos” cellát kell sorba kötni, míg egy napelemmodul, melyben 60 „azonos” cellát kötnek sorba, már 30 V-os eredő feszültséggel fog rendelkezni. Az összekötésnél az akkumulátorok vagy szárazelemek összekapcsolásához hasonló módon járnak el. (Az azonos szót azért tettem idézőjelbe, mert két tökéletesen azonos cella soha nem készül.)

 

A napelemmodulokat a nagyobb eredő feszültség elérése érdekében (vegyük figyelembe az inverterek MPP jelzett értékét, pl. 550 V) kötik sorba, így már értelmet kap a napelemmo-duloknál is a füzér (string) elnevezés. Tegyük hozzá, hogy többféle napelemcellát gyártanak ipari mennyiségekben (más-más félvezető anyagokat használnak), melyeknél egy cella feszültsége akár 2 V is lehet. Különböző gyártók különböző napelemmoduljain belül találkozhatunk más és más cella-darabszámmal is, de egy rendszeren belül csak azonos cellaszámú napelemmodult kell látnunk. Ellenkező esetben ugyanis valaki nagyon „mismás” rendszert próbált meg „összehozni” (írom mindezt a kedves kísérletező kedvű olvasóknak, akik esetleg különböző gyártóktól beszerzett különböző napelemmodulokból próbálnak meg saját rendszert összeállítani), aminek az eredő áramát a leggyengébb napelemmodul fogja meghatározni, azaz a leggyengébb cella határozza meg az egész füzér működését.

 

 

Ha csak egyetlen cella hibás, vagy árnyékba kerül, akár részlegesen is, akkor ez a cella határozza meg az eredő áramot, végső fokon az egész füzér teljesítményét. Egy teljesen leárnyékolt cella pedig „polaritást vált”, és a füzérben már terhelésként fog viselkedni, amit hőkamerával felfedezhetünk, mert nagymértékben felhevül. Ugyanez igaz, ha nem egymáshoz illő (különböző karakterisztikájú) cellák kerülnek be a füzérbe gyártás közben (ezért válogatják össze a cellákat a füzérezés előtt), vagy ha füzérezés közben a cellákban mikro-repedések keletkeznek.

 

 

Mikrorepedések jöhetnek létre a napelemmodulok gyártása során, amikor a cellafüzéreket egymáshoz igazítják, és kialakítják a modulon belül a végső elektromos kötéseket a laminálás előtt. Ezen a ponton jó nyomon járunk, ha a „mismás” jelenség újabb okait keressük. A napelemcellákat és -modulokat is úgy kell összeválogatni és sorba kapcsolni, hogy az MPP pontjaikban azonos áramértékeket lássunk a mérésük során. Minden legyártott napelemmodulban megszámolhatók a cellák, valamint a hátoldalon lévő gyártói matricán olvasható a modulfeszültség, de vegyük figyelembe, hogy a napelemmodulon belül az eredő áramerősséget a sorba kötött cellák „füzéreinek” párhuzamos kötése adja (a legtöbb modul esetében 3 cellafüzért kötnek párhuzamosan, ezért az elektromos csatlakozódobozban is 3 elkerülő dióda kap helyet).

 

A gyártósorba integrált termográfiai minőségellenőzző-állomásnak köszönhetően bepillantást nyerünk a kristályos cellákban előforduló anomáliákra. A felvételen a sok kicsi túlhevült(pirosas) részlet alatt rejlenek az anyaghibák

 

Az utóbbi időben már sorozatgyártásra kerültek olyan napelemmodulok is, melyekben 6 cellafüzért kötnek párhuzamosan, 6 elkerülő dióda társaságában – ígéretes megoldás. Az 1-es ábra jól szemlélteti egy tipikus napelemmodul belső cellafüzérezését és elektromos kötéseit.

 

Az áramgyűjtő busznak nevezett szélesebb fémszalag elvált az érintkezésre kialakított felülettől. Ez bizony gyártási hiba. A drága napkövető rendszerben rengeteg hibás napelemmodul található. A sötét foltok mindegyike hibás cellát jelez, így hiába várjuk a hozambőséget.

 

 

Pár szó erejéig térjünk ki az elkerülő „bypass” diódák szerepére. Ezek a diódák záró irányban vannak párhuzamosan bekötve a napelem füzérekkel. Miért van rájuk szükség? Mert a részben sérült vagy árnyékba került napelem cellák polaritás váltásával a velük sorba kötött és működő többi napelem cellának köszönhető az eredő feszültség akár 20 V fölé is eshet. A félvezető anyagokból készült napelemek p-n átmenete pedig igencsak érzékeny, 10-25 V megjelenő záró irányú feszültségtől véglegesen tönkremehet. Ilyen feszültségek megjelenésének okai lehetnek a forró pontok (hot spot – nagy teljesítménysűrűség a cella egy kis pontjában) vagy árnyékhatások. Ha ilyen előfordul, és ha van bypass dióda, akkor ez esetben nyitóirányúvá válik és a kritikus cella vagy cellafüzért kikerülve elvezeti az áramot a többi működő rész felé, közben a beárnyékolt cellán csak a bypass dióda nyitóirányú (kb. 0,6 V) feszültsége „marad”, ami a p-n átmenetet már nem károsítja. A diódákat tehát a napelemek védelmét hivatottak szolgálni.

 

A cikk zárásaként kijelenthetjük, hogy a „mismás” jelenségek okait legfőképp a gyártásban, a gyártástechnológiákban kell keresni, amit természetesen tudnak is a gyártók. Erre utal az, hogy az utóbbi időben a napelemmodulok kínálati palettájáról eltűntek azok a napelemmodulok, melyeknél negatív toleranciát adtak meg a teljesítményre. Manapság már csak pozitív toleranciával találkozunk, azaz a névleges teljesítményen felül akár 3%-kal is teljesíthetnek a modulok. Ez az adat értelmezhető úgy is, hogy nagyobb hozamot kapunk ugyanazért a pénzért, ám valójában ez a százalékos érték nem más, mint a „mismás” mutatója barátságosabb köntösben, mert ugye mégiscsak eltérésről beszélünk.

Ezt így is kezelik a napelemes rendszereket tervező szoftverek adatbázisai, tehát nekünk is így kell kezelnünk. Ez nemes egyszerűséggel azt jelenti, hogy a napelemes rendszer termelésében %-os veszteségekre előre számítsunk, azzal kalkuláljunk. A cikket azzal a jó tanáccsal zárnám, hogy a leendő napelemmodul-vásárlók igyekezzenek olyan termékeket vásárolni, melyeknél a teljesítménytolerancia lehetőleg nem több 2%-nál, ugyanis ilyen jó modulokat alkalmaznak rendre a napelemes nagyerőművekben is, ami magáért beszél.


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

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem