Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Megújulók

A katalógusadatok esete a hétköznapok valóságával

A napelemek gyakorlati működéséről

2015/7-8. lapszám | Boros Viktor |  6079 |

Figylem! Ez a cikk 7 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A napelemek tényleges teljesítményéről szóló cikksorozat első részében leírjuk, miként történhet meg, hogy egy költséghatékonynak gondolt napelemrendszer hétköznapi működésében a minimális teljesítmény válik optimummá, csúfosan meghazudtolva az üzemeltető gazdasági előrejelzéseit.

A rendszerint költséghatékonysági és környezetvédelmi megfontolásokat szem előtt tartó felhasználók, amikor napelemes áramfejlesztő rendszer üzembe helyezését mérlegelik, az egyes panelek névleges teljesítménye, illetve a panelek száma alapján tervezik meg a rendszert, s prognosztizálják a várható teljesítményt. Az ilyesféle kalkuláció kézenfekvő, ám alapvetően elhibázott – kellemetlen meglepetések várnak arra, aki csupán a nyers műszaki specifikációkra hagyatkozik egy rendszer tervezése során. Mert meglehet, hogy a leírásokban szereplő, a gyártó által garantált számok bizalomra adnak okot, és egy üzembiztos, nagy teljesítményű rendszer képét előlegezik meg, azonban a működő rendszer tényleges teljesítménye a fentieket meghazudtolva, drámai mértékben alulmúlhatja az elvárásokat.

Papíron minden oké

 

A probléma nagyban hasonlít arra, amikor egy kiemelkedő képességű, ám műszaki téren tapasztalatlan sofőr versenyautót épít. Nem aprózza el: beszerez egy erős és megbízható motort, és ehhez válogatja össze az alkatrészeket. A váltómű, az alváz, a karosszéria, a turbófeltöltő, a motorvezérlő elektronika, a futómű mind nagy odafigyeléssel kerülnek kiválasztásra, mindegyik komponens magas minőségű, a katalógus szerint kivételes mutatókkal rendelkezik. Reménybeli versenyzőnk jelentős anyagi erőforrásokat mozgósít a siker érdekében, ennek ellenére súlyos csalódás éri a pályán: a nagy gonddal megépített, csúcstechnológiát képviselő márkák matricáival kidekorált autót a nálánál jóval szerényebb teljesítményű, olcsóbb versenyautók is könyörtelenül lelépik, a sokmilliós gépezet alul fullad, felül gyenge, csúszkál a kanyarokban, s általában véve esetlegesen viselkedik. Az elcsüggedt úrvezető pedig mindeközben nem érti, hogy hol tévedhetett, hiszen sem az anyagiakat, sem a munkát nem spórolták ki a kocsiból.

Ezer meg egy dolog okozhatta a kudarcot. Lehetséges, hogy rosszul választották meg a gumikat, vagy nem megfelelően állították be a lengéscsillapítót, a motorvezérlő elektronika kalibrálása során történt hiba, vagy éppenséggel a rosszul beépített turbófeltöltő a ludas. Ha nem megfelelő üzemanyag került az autóba, nemkülönben radikális teljesítményvesztéssel kell számolni, s hosszasan folytathatnánk a lehetséges hibák sorát. A lényeg, hogy az analógiában szereplő versenyautó pályán nyújtott teljesítményét a legszűkebb keresztmetszet határozza meg, a többi komponens valódi teljesítménye a leggyengébb láncszem miatt nem fog hasznosulni.

A napelemes rendszerek hasonlóképpen működnek: a rendszert alkotó komponensek általános minőségét meghazudtoló módon egyetlen gyenge elem is képes radikálisan lerontani az összteljesítményt, miként a hibás installáció vagy a kedvezőtlen környezeti viszonyok is alapvetően befolyásolják a megtermelt kWh-ák számát. Ez még abban az esetben is számos problémát okozhat, ha az üzemeltető magas minőségű komponenseket vásárol, ha pedig a legolcsóbb elemek beszerzését tartja költséghatékony megoldásnak, olyan veszteségek keletkeznek, amelyek a teljes beruházás ésszerűségét kérdőjelezik meg, és a megtérülését lehetetlenítik el.

A leggyengébb láncszem mindent visz

 

A napelemrendszerek esetében általános műszaki eljárás a soros kapcsolás. Ebben az esetben a paneleket láncba rendezve, egymás után kötik be, a teljes rendszert pedig több lánc alkotja. A hagyományos kiépítésű rendszerek esetében az egyenáramot váltóárammá átalakító inverter a lánc végén található: itt fut össze, mint a gyökerek a törzsben, a rendszer valamennyi ága. A soros kiépítés miatt az inverter nem az egyes panelek által leadott teljesítményt konvertálja át váltóárammá, hanem az egyes sorok teljesítményét – ez pedig a fent leírt rendszerben sohasem egyenlő az adott panelek névleges teljesítménye által meghatározott értékkel. Lehet, hogy egy 25 panelból álló láncban 250 és 255 W közötti teljesítményt ad le kéttucat panel, s csupán egyetlen akad, amely valamely hiba, környezeti tényező vagy műszaki probléma miatt mindössze 100 wattot teljesít, mégis ez utóbbi fogja meghatározni a teljes sor teljesítményét. Feltételezve, hogy egy 25 kW-os elvárt teljesítményű rendszer esetében 100 darab 250 wattos, általában 4 láncba rendezett panelből áll fel a rendszer, a rendszer teljesítményét akár ugyanennyi problémás modul is töredékére csökkentheti. A panelek 4%-ának teljesítményvesztése szélsőséges esetben akár a 90%-os teljesítményvesztést is előidézhet a teljes telepre vonatkoztatva, ami elfogadhatatlan szintre rontja a beruházás gazdaságosságát.

A teljesítményvesztés okai igencsak változatosak lehetnek, ezért detektálásuk jól képzett szakembert kíván: a gyártástechnológiai eltérések, az árnyékok, az elkoszolódás mértéke, a paneleken belüli hőmérsékletingadozás, de akár a napelemeken belüli forrasztások minősége is döntően befolyásolhatja a telep működését.

Sötétben sem egyforma

 

Az ipari sorozatgyártás egyik legfontosabb problémája a megfelelő homologizáció. A nagy sorozatban gyártott termékek esetében csak exponenciálisan növekvő költségek árán lehet garantálni az azonos vagy közel azonos névleges teljesítményt (minél szűkebb a tolerancia, annál költségesebb ez az eljárás), a késztermék fizikai tulajdonságai és műszaki specifikáció még a legszigorúbb minőségkontroll mellett is mutatnak bizonyos szóródást. A nagy autógyárakban általában véve kiváló motorok készülnek, mégsem garantált, hogy az összeszerelt motorok teljesítménye, ha fékpadra rakják a kész autót, tökéletes egyezést mutat. A névlegesen 220 lóerős motor az egyik autóban 218, a másikban talán 225 lóerőt ad le, ami ugyan nem befolyásolja érdemben az egyes gépjárművek menetdinamikáját, de ha egy 300 motorból álló struktúrába kötnénk össze ezeket az erőforrásokat, már komoly technikai problémákat okozna ez a jelenség.

A tömegtermelés jellegéből eredően nem létezik két tökéletesen egyforma napelem, a kereskedelmi forgalomban kapható panelek teljesítménye hasonló szóródást mutat, s legyen bár azonos márkájú és típusú, azonos névleges teljesítményű panelekből felállított rendszerünk, az összteljesítményt mindenkor a leggyengébb láncszem fogja meghatározni. A napelemet alkotó, azonos teljesítményosztályba tartozó napelemcellák teljesítménye is 1-1,5%-os teljesítményszóródást mutat, és ekkor még nem beszéltünk a cellák áramerősség-szóródásáról. Ezen aprónak tűnő eltéréseket összeadva, két azonos névleges teljesítményű, 60 cellás napelem esetében az eltérések már hatványozottan jelentkeznek.

Ha csak a napelemek osztályozásnál (+/- 5% vagy -0/+5 Wp) és a gyári teljesítménymérésnél használatos mérési toleranciákat (+/- 1%) vesszük alapul, akkor is 5%-os teljesítményeltérést tapasztalhatunk két azonos rendszer vonatkozásában, ami kWh-ra átkonvertálva jelentősen befolyásolhatja beruházásunk pénzügyi és időbeni megtérülését.

A hivatalos dokumentáció minden esetben garantált minimális teljesítményt nevez meg, tehát -0 W toleranciát biztosít, ugyanakkor az ily módon leírt panelek tetemes hányada a névlegesnél nagyobb teljesítményre képes, így az üzemeltető nem csupán tervezhető kockázatot, hanem ajándékwattokat is kap a pénzéért – a kérdés csupán az, hogy a rendszer képes-e ténylegesen hasznosítani ezt a többletteljesítményt.

Installáció és környezeti hatások

 

A napelemek installációja nemkülönben azon tényezők közé tartozik, amelyek elemi szinten befolyásolják a rendszer teljesítményét. Az adott panel teljesítményét egy kémény vagy egy villanypózna kósza árnyéka, más tereptárgyak miatt keletkező leárnyékoltság is képes nagymértékben csökkenteni (a modul felületének 10%-os leárnyékoltsága könnyedén okozhat akár 50%-os teljesítményesést), ezért a soros rendszerű, központi inverterrel rendelkező rendszer esetében egyetlen panel is visszavetheti az adott lánc működését (1-2. táblázat).

A panel hőmérséklete nemkülönben fontos körülmény. Tételezzük fel, hogy a modulokat egy családi ház tetején rögzítik; a szigetelésből adódó eltérések, a kémény közelsége, a fűtött és fűtetlen felületek szóródása miatt az egyes panelek hőmérséklete akár 15-20 °C-os eltérést is mutathat. Miután a panel hőmérséklete fontos hányadosa a leadott teljesítménynek, 1 °C-os hőmérsékletnövekedés 0,5-os teljesítménycsökkenést eredményez (lásd keretes írás).

A szabadban lévő napelemek szükségképpen kitettek a környezeti hatásoknak. Ezek közül a legfontosabb az elkoszolódás: a madárürülék, a falevelek, a szél által széthordott szemét mind-mind hátrányosan befolyásolja a panel teljesítményét (2. ábra). A panelek karbantartásának szerves része a felület tisztítása, de a napelemek tisztaságának napi szintű ellenőrzése és a szükséges tisztítási munkálatok azonnali elvégzése csak ritkán lehetséges, vagy jelentős többletköltséget jelentene.

A napelemcellák elöregedése szintén fontos gyakorlati probléma. A napelemcellák fényelnyelő felületén kémiai folyamatok mennek végbe, mi több, a cellákat alkotó szilíciumban található szennyeződések miatt is öregedik a félvezető anyag, ezáltal a teljesítményük változik az évek során. Mivel a napelemeket alkotó cellák nem teljesen homogének, ezért a napelemek sem azonos módon reagálnak az idő múlására. A mérések szerint a 25-30 éves tervezett élettartam esetén, még az ugyanazon gyártótól kikerült, következetes minőségellenőrzésen átesett panelek esetében is napelemenként eltérő teljesítményhanyatlással lehet számolni (1. ábra). Tehát az öregedés szignifikáns mértékben fokozza a gyári állapotban is heterogén teljesítményt leadó rendszerek kapacitásának szóródását, így növeli a rendszer instabilitását. Abban az esetben, ha rossz forrasztások vagy mechanikai problémák lépnek fel, a veszteség ennél jóval nagyobb is lehet.

Lappangó rendszerszintű problémák

 

A soros kapcsolásban, központi inverterrel működő rendszerek hatékonyságát az átlagos teljesítmény alapján tudjuk mérni. Ez a mutató azonban esetleges, mert nem mutatja meg az egyes panelek és láncok gyakorlati kapacitását: a kísérletek azt mutatják, hogy a lappangó, nem kezelt problémák optimális esetben is legalább 10%-kal vetik vissza a rendszer tényleges teljesítményét. A hibák detektálása és orvoslása képzett technikusokat és komoly munkát igényel, és nyilvánvaló költségvonzatai vannak – az ilyesféle járulékos költségek pedig nagyban rontják a teljes rendszer költséghatékonyságát.

A napelemekből álló áramfejlesztő telep teljesítményét tehát a legjobb minőségű komponensek mellett is esetlegességek és bizonytalanságok jellemzik, a gyengébb minőségű panelek instabilitása pedig igen magas lehet. Meglehet, hogy az üzemeltető, aki garantáltan 250 watt teljesítményű paneleket vásárol, a gyakorlatban csak 100-150 wattos teljesítményt kap a pénzéért – ez pedig a legkevésbé sem nevezhető gazdaságos beruházásnak.

Folytatása következik

A helyzet komoly, de korántsem reménytelen: a cikk második részben színre lépnek a mikroinverterek és az energia-optimalizálók, amely eszközök javítják a rendszerszintű teljesítményt, minimalizálják az energiaveszteséget és stabilizálják a láncokat alkotó panelek működését, ily módon növelve a rendszerek költséghatékonyságát. Mindemellett a biztonságtechnikai problémák és a gyártótól ajándékba kapott többletkapacitás kiaknázásának lehetősége is terítékre fog kerülni.

NapelemNapenergia