Teljesítményoptimalizálás és más előnyök
A napelemek gyakorlati működéséről II.
2015/9. lapszám | Boros Viktor | 7122 |
Figylem! Ez a cikk 9 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A cikk első részében leírtuk azokat a változatos műszaki tényezőket és környezeti kockázatokat, amelyek akár 80-90 százalékos teljesítményvesztést is okozhatnak a rendszerek működésében, a második részben pedig bemutatjuk a problémák költséghatékony megoldását.
A napelemek elméleti és gyakorlati teljesítményének harmonizálása
Ma már rendelkezésre állnak olyan műszaki megoldások, amelyek képesek kivédeni a napelemrendszerek teljesítménycsökkenését előidéző problémákat, és lehetővé teszik az üzemeltető számára, hogy kiaknázza a rendszerben rejlő potenciális teljesítmény közel maximumát. A nyilvánvaló gazdasági előnyökön túl további hasznos szolgáltatásokat is elérhetővé tesznek, amelyek javítják a rendszerek üzembiztonságát, növelik a modulok élettartamát.
Színre lép a mikroinverter
A cikksorozat múlt hónapban megjelent első részében bemutattuk a központi inverterrel ellátott, soros kapcsolású rendszerek instabilitásának problémáját, amelynek lényege, hogy az eltérő teljesítményű modulok láncának gyakorlati teljesítményét minden esetben a leggyengébb modul határozza meg. Ez a jelenség tetemes energiaveszteséget okoz, amelynek kiküszöbölése kulcsfontosságú a hatékony működés szempontjából.
A napelemek kimenő teljesítménye szempontjából fontos körülmény, hogy gyakorlatilag nem létezik két teljesen azonos panel, mivel minden napelem más és más áramerősséghez (Impp) tartozó munkaponton adja le a maximális teljesítményét. A napelemcellák összetett módon reagálnak az őket érő környezeti hatásokra, a cellafeszültség és a cellaáramerősség között egy nem lineáris görbe írja le az összefüggést, amelyet IV görbének nevezünk. A görbe mentén található az MPP (Maximum Power Point), ez az a pont, amelyen az áramerősség és a feszültség szorzata a legmagasabb értéket, tehát a legnagyobb teljesítményt adja. A hagyományos központi inverteres rendszerek esetében az inverterek a teljes napelemfüzér munkapontját (MPP) kontrollálják, ami nem azonos az egyes napelemek maximális munkapontjával, sőt: ez minden esetben csak a lánc átlagos teljesítményeként írható le, mivel a leggyengébb napelem áramerőssége lesz meghatározó a láncban (1. ábra).
A fenti probléma kiküszöbölésére alkalmasak az olyan DC-AC egységek, amelyek az egyes napelemek maximális teljesítményének meghatározása mellett napelemenként alakítják át az egyenáramot váltóárammá. A mikroinverterek legnagyobb előnye, hogy a központi inverterrel szemben nem a lánc végén történik meg az egyenáram váltóárammá való átalakítása, hanem modulonként zajlik le ez a művelet, tehát a panelek már váltóáramot adnak le, ezzel kiküszöbölve az egyenáramú soros kötésből adódó rendszerszintű veszteségeket. További előnyük, hogy a váltóáram továbbítása kisebb keresztmetszetű kábelekkel is megvalósítható számottevő energiaveszteség nélkül, ezáltal csökkenthető a DC kábelezés magasabb költsége (ez elsősorban a nagyobb napelemes rendszerek esetében fontos technikai körülmény).
Ugyanakkor a mikroinvertereknek bizonyos hátrányai is vannak. Ezek között említeni kell a szűk működési feszültségtartományt, így csak bizonyos típusú napelemekkel kombinálhatók (nem alkalmazhatók például 72 cellás napelemek esetében), illetve a DC-AC átalakítás beindításához szükséges minimális feszültségszint miatt gyenge fényviszonyok mellett nem képesek működni. További problémát jelent, hogy a DC-AC átalakítás során az energia egy része (4-5%) hővé alakul át, és mivel a mikroinverterek a napelemek hátuljára vannak felszerelve, melegítik a napelemeket, és ezzel végeredményben csökkentik a napelemek teljesítményét.
A következő lépcsőfok: a DC optimalizálók
A mikroinverterek családjába tartoznak a költséghatékonyabb DC optimalizálók is (Power Optimizers), amelyek esetében a DC-AC átalakítás és a napelemenkénti munkapont-meghatározás szétválasztásra került. A DC optimalizálók esetében minden napelemen elhelyezésre kerül egy elektronika, amely a mérést és a beavatkozást végzi, de a vezérlés és a DC-AC konverzió továbbra is központilag történik. Ezek az elektronikai megoldások nem képesek a teljesítményt maximalizálni, hanem a napelemláncok teljesítményét képesek optimális szinten tartani.
A DC optimalizálók esetében az elektronika a napelemek kötődobozában folyamatosan méri a napelem villamos paramétereit, és az adatokat továbbítja egy központi vezérlőegység felé, amely meghatározza az adott napelem maximális munkapontját, de figyelembe veszi a napelem-füzérben lévő többi napelem teljesítményét is. Mivel a DC optimalizálók nem csak mérni, de beavatkozni is képesek a napelemek teljesítményébe, így a lánc összes napelemének elektromos paramétereinek figyelembe vételével a központi vezérlő meghatároz egy napelemenkénti optimális munkapontot, ahol a napelem-füzér teljesítménye a lehető legnagyobb.
Hőmérséklet-szabályozás
A napelemcellák kimenő teljesítményét a panelek hőmérsékletének szabályozásával lehetséges kontrollálni. A napelemek teljesítménye (feszültség és áramerősség) a hőmérséklet változására eltérő értékeket mutat.
A cella hőmérsékletének növelésével az áramerősség nő, míg a feszültség csökken; ennek az elvnek a kihasználásával növelhető a lánc gyengébben teljesítő napelemeinek áramerőssége, igazítható a jobban teljesítő napelemek teljesítményéhez. Természetesen ilyenkor a gyengébben teljesítő napelemek feszültsége csökken, de mivel a feszültség a láncban összeadódik, így mégis kisebb a veszteség, mint ha a leggyengébb napelem áramerőssége határozná meg a füzér kimenő teljesítményét. És hogyan is melegíthetjük fel a napelemet? Egy egyszerű ellenállás aktiválásával a napelemcellákból fogyasztó lesz, az energiából pedig hő keletkezik.
Monitoring funkció
A DC optimalizálók folyamatos monitorozást biztosítanak, így a napelemrendszer minden egyes napelemét valós időben ellenőrizhetjük. A napelemek és a központi vezérlőegység közötti kommunikációra egyes gyártók ipari szabvány szerinti rádiós rendszereket alkalmaznak, míg mások a DC kábeleken keresztül továbbítják az adatokat (jelmodulációt alkalmazva). A kétirányú kommunikációnak köszönhetően számos további funkciót nyújtanak a DC optimalizálós rendszerek.
A folyamatos kommunikációnak köszönhetően gyorsabban kiszűrhetők a napelemszintű hibák, így a szigetelési ellenállás, a feszültségszint, az áramerősség vagy a hőmérséklet jelentős mértékű változásából a rendszer automatikusan felismeri a meghibásodott napelemeket, amelyeket képes kiiktatni a láncból (bypass funkció). A bypass funkciónak köszönhetően nem áll le a teljes füzér, hanem a hiba kijavításáig – igaz, csökkentett teljesítménnyel – képes tovább működni. Nem vezérelt napelemes rendszerek esetében egy későn detektált hiba extrém esetben akár tüzet is okozhat.
További hasznos funkciók
A feszültségszabályozásnak köszönhetően a DC optimalizálóval felszerelt napelemrend-szerek esetében lehetőség van akár eltérő teljesítményű vagy eltérő márkájú napelemeket is egy füzérbe kapcsolni, sőt, akár eltérő számú napelem is láncba rendezhető az inverter azonos bemenetére párhuzamosan kötve, illetve eltérő tetősíkon lévő, eltérő dőlésszögű napelemek is egy füzérbe köthetők. További előnye a DC optimalizált napelemeknek, hogy az üresjárati feszültség maximalizálható, így a hagyományos napelemekhez képest akár 30 százalékkal hosszabb füzéreket alakíthatunk ki anélkül, hogy a lánc összfeszültsége (Uoc) túllépné az inverter maximális bemeneti feszültségét. A hosszabb napelemfüzérek biztosítják, hogy gyengébb fényviszonyok mellett is könnyebben eléri a lánc kimeneti feszültsége az inverter indítófeszültségét, és a rendszer szélsőségesebb időjárási viszonyok mellett is képes energiát termelni. A megnövelt füzérhossznak köszönhetően közelebb kerülünk az inverterek ideális MPP feszültségszintjéhez, ezáltal kisebb lesz a DC-AC átalakítás során elszenvedett energiaveszteség: például 97% helyett 98,5%-os hatásfokkal fog üzemelni az inverter, amelynek köszönhetően egy 500 kW-os naperőműnél akár 9000 kWh többletenergiát érhetünk el éves szinten.
Mindent összevetve a különböző mikroinverterekkel felszerelt napelemrendszerek teljesítménye kiépítéstől és körülményektől függően 5-30 százalékkal múlja felül a hagyományos rendszerek kapacitását (a leárnyékolódásból eredő veszteséget akár 50 százalékkal is mérsékelni tudják).
A napelemtelepek gazdaságos működéséhez további előnyökkel is szolgálnak a fent leírt műszaki megoldások. Az optimálisabb működésnek köszönhetően a napelemek öregedése lelassul, csökken a PID (Power Induced Degradation) effektus valószínűsége, ezáltal a telep gazdaságossági mutatói tovább javulnak. Nemkülönben számottevő biztonságtechnikai előnyöket eredményez ez a megoldás, amelynek része a tűzbiztonsági problémák kivédése. A DC optimalizálóval felszerelt rendszerek esetében a hibás, tűzveszélyes elemek kiiktatása automatikusan történik, illetve lehetővé teszi a panelek egyenként történő lekapcsolását (az új Országos Tűzvédelmi Szabályzat kötelezővé teszi a DC oldali leválasztást az újonnan üzembe állított napelemrendszerekre vonatkozóan). Nem csak a napelemek és az inverter közötti DC kábelek feszültségmentesíthetők, de az optimalizálóval felszerelt napelemek esetében a napelemek közötti kábelszakaszok is (megjegyzés: a DC kábelen keresztül kommunikáló optimalizálók esetében napelemenként 1 V/300-600 mA feszültség marad a kábelekben).
Megéri a mikroinverter?
A korszerű napelemes rendszerek gazdasági megtérülése két változó arányával írható le a legkönnyebben: a költséghatékonyságot a bekerülési költség és a várható élettartam során megtermelt energia aránya példázza, amely mutatót a hagyományos, központi inverterrel szerelt rendszerek hasonló mutatójához viszonyítunk (2. ábra). A hagyományos rendszerek esetében a megtérülési időtartam 6,5 év, az élettartam alatt megtermelt energia indexe 100. A mikroinver-teres rendszer üzembe helyezésének költsége 30 százalékkal magasabb, megtérülési időtartama 8 év, ugyanakkor éves szinten 30 százalékkal több energiát termel, így a teljes élettartam alatt megtermelt energia mutatója 120. A DC optimalizált rendszerek a hagyományos rendszerekkel szemben 10-12 százalékkal nagyobb bekerülési költséget jelentenek, megtérülési időtartamuk 7,2 év, az éves energiatermelés 30 százalékkal magasabb, az élettartam alatt megtermelt energia indexe pedig 115-120. Emellett további körülmények is a mikroinventeres rendszerek költséghatékonyságát igazolják, mint a fenti mutatókban nem szereplő üzemeltetési és karbantartási kiadások, a műszaki hibák csökkenő száma, illetve a biztonsági megfontolások, amelyek a fenti mutatónak nem képezik részét.
