Fotovoltaikus rendszerek és azok tervezése, Cseh Műszaki Főiskola (Prága), prof. Ing. Vítězslav Benda, CSc.

Share Button

Egy szakcikksorozat második részét adja közre a NAPENERGIAINFO.HU. Az írásban taglalt általánosabb témáktól fokozatosan eljutunk azokhoz a speciális tippekhez és tanácsokhoz, amelyek a fotovoltaikus er?m?vek monitorozására, karbantartására és diagnosztizálására vonatkoznak.

s16.51.   Bevezetés

A legfrissebb hírek alapján 2014 elején a brit beruházási bank csökkentette a villamosenergia-elosztással foglalkozó cégek hitelmin?sítését. Röviden megállapítható, hogy ennek f?ként a fotovoltaikus forrásokat használó autonóm és hibrid rendszerek egyre nagyobb száma volt az oka, valamint – ezzel összefüggésben – az elosztott energia mennyiségének potenciális csökkenése. Ha ezt a hírt összefüggésbe hozzuk az akkumulátoros elemek árának mérséklésére való törekvéssel, jó okunk lesz továbbra is figyelemmel kísérni a fotovoltaikus rendszerek építésével kapcsolatos trendeket.

2.   Napsugárzás

A Föld légkörének a felszínére körülbelül 180 000 TW teljesítmény? napsugárzás érkezik, ami nagyságrendileg nagyobb, mint az egész emberiség jelenlegi fogyasztása, tehát a napsugárzés felhasználásával kapcsolatos igyekezet logikusnak tekinthet?. Ugyanakkor a napsugárzás közvetlenül villanyenergiává alakulását kihasználó fotovoltaikus rendszer tervezése során ügyelni kell arra, hogy nem hagyhatók figyelmen kívül a sugárzás alapvet? fizikai tulajdonságai. A napsugarak nem mindig egyforma intenzitással és nem is ugyanazon szögben esnek az egyes helyekre. Bár az északi államokban nem nagyobb a sugárzás intenzitása, mint Közép-Európában, ám kedvez?bb az érkez? sugárzás szöge, ami ezt a hátrányt bizonyos mértékben ellensúlyozni tudja.

A fotovoltaika szempontjából a sugárzás kihasználhatósága f?ként a földrajzi fekvést?l és a helyi felh?sségt?l függ. A földrajzi fekvés belevetít?dik az ún. AM atmoszférikus tömeg együtthatójába, ami mindig nagyobb vagy egyenérték?. Ez az együttható adja meg azt, miként arányul a légkörön áthatoló fénysugár által megtett távolság ahhoz a távhoz, amelyet a légkörön áthaladó sugár akkor tenne meg, ha mer?legesen esne a földfelszínre. A számítás során a Nap és a horizont, esetleg a zenit által bezárt szögb?l indulnak ki. Minél nagyobb ez az együttható, annál kevesebb sugárzás éri a földfelszínt (az AM-mel változik a sugárzás spektruma). A földfelszínt ér? sugárzás maximumát a B0 ún. szoláris állandó adja meg, amelynek nagyságát rendszerint 1367 W/m2 értékben határozzák meg. A földfelszínt ér? pillanatnyi sugárzás (a G aktuális besugárzottság) a következ?képpen fejezhet? ki:

1) B közvetlen sugárzás (beam) – a vissza nem vert és szét nem bomlott fénynyalábok,

2) D diffúz sugárzás – a napkorongon kívül, minden irányból érkez? sugárzás,

3) R visszavert sugárzás (albedo) – a környez? tárgyakról visszaver?d? sugárzás.

A teljes (globális) sugárzás mindhárom alkotóelem összege – G = B+D+R. A felh?sséget így rendszerint a K_Tm ún. fényáteresztési mutatóval veszik figyelembe, amely az egyes hónapokban jelent?sen eltér?. Nagysága éppen a közvetlen sugárzásnak a teljes sugárzáshoz viszonyított arányától függ, ami a fotovoltaika szempontjából kulcsfontosságú. Közép-Európa térségében viszonylag nagy a diffúz sugárzás aránya, amivel a rendszer tervezésekor mindenképpen számolni kell.

3.   A fotovoltaikus rendszerek felosztása

A fotovoltaikus rendszerek több szempontból is feloszthatók:

1) Elhelyezés szerint – szabadon állók vagy épületbe integráltak;

2) Konstrukció szerint – szilárd konstrukciójúak, egytengelyes napkövet?vel, kéttengelyes napkövet?vel ellátottak;

3) Csatlakoztatás szerint – autonómok (grid-off), hálózathoz csatlakoztatottak (grid-on), hibridek (hálózattal vagy hálózat nélkül).

A fotovoltaikus rendszereket a leggyakrabban éppen az elosztó rendszerhez való csatlakoztatásuk módja alapján osztják fel.

3. 1.   Az autonóm (grid-off) fotovoltaikus rendszer

Az autonóm fotovoltaikus rendszer olyan rendszer, amelynek a m?ködéséhez nincs szükség elosztó rendszerre. Olyan helyen használatos, ahol gondot okoz villamos csatlakozó kiépítése, azaz f?ként a félrees? objektumok esetében. Autonóm fotovoltaikus rendszernek számít minden „zsebre tehet?” alkalmazás is – szolár lámpák, szoláris játékautók, napelemes számológépek, tölt?k stb. Ezen alkalmazások szerkezete lényegében nem nagyon különbözik a nagyobb – például családi házakra kapcsolt – rendszerek konstrukciójától. Alkotórészei közé tartoznak a napelemek, a kábelek, az elektronikus irányítóberendezések és az akkumulátorok. A nagy rendszerek esetében a fotovoltaikus modulok rögzítésére szolgáló konstrukciók és az elektronikus irányítóberendezések szabályzók, esetleg szabályzós váltóirányítók formájában állnak rendelkezésre. Az autonóm rendszerek az akkumulátorok viszonylag nagy ára miatt aránylag drágák, ám az akkumulátorok fejlesztésének köszönhet?en árcsökkenés várható. Ily módon az autonóm rendszerek – az egyre takarékosabb, egyenirányú bekötés mellett is m?köd? fogyasztók meglétével számolva – érdekes alternatívát jelenthetnek a víkendházak és más kisebb objektumok ellátása terén.

3. 2 .   A hálózatba kapcsolt (grid-on) fotovoltaikus rendszer

A hálózatba kapcsolt fotovoltaikus rendszer olyan rendszer, amelynek elosztó rendszerre van szüksége a m?ködéséhez. Az autonóm rendszerekt?l eltér?en nem engedhet? meg az autonóm üzemmód – a szigetüzem? m?ködés, amely az elosztó rendszerre nézve veszélyes lehet. A hálózattal való együttm?ködést rendszerint váltóirányító biztosítja, amely egyben a medd? teljesítmény kompenzálásának a feladatát is ellátja (a fotovoltaika jellegéb?l adódóan kapacitást jelent? forrás – medd? energia forrása, mert feleslege a hálózati feszültség növekedéséhez vezethet). Az alkotóelemek egyébként hasonlóak, mint az autonóm rendszerek esetében, csak itt további védelem kell a hálózattal való együttm?ködés érdekében, ugyanakkor nem szükségesek akkumulátorok.

3. 3.   A hibrid fotovoltaikus rendszer

Korábban hibrid fotovoltaikus rendszernek tartották az olyan autonóm fotovoltaikus rendszert is, amely a villamos energia gyártásához a fotovoltaikus modulokon kívül más forrásokat is használ (pl. szél, dízel aggregátor…). Manapság a meghatározásnak azok a rendszerek is részét képezik, amelyeket a hálózathoz csatlakoznak, de csak tartalék forrásként használják azokat. Ez azt jelenti, hogy olyan rendszerekr?l van szó, amelyek képesek hatékonyan felhasználni szinte a teljes el?állított energiamennyiséget, s csak nagyon kis fölösleget táplálnak a hálózatba. Az akkumulátoroknak köszönhet?en a töltéshez szinte végképp nincs szükségük hálózatra. Rendszerint modern alkotóelemek – például h?szivattyúk – képezik a részét.

4.   Grid-on rendszer tervezése

Grid-on rendszer tervezésekor szükséges, hogy a rendszer saját termelékenységén kívül a hálózaton belüli állapotokat is figyelembe vegyük. Tekintettel arra, hogy hamarosan vége a feed-in tarifák (támogatási tarifák) rendszerének, a következ? években a telepítések számának a növekedésére számíthatunk, cikkünkben a kisebb, legfeljebb 30 kWp-s rendszerek tervezésére összpontosítunk.

A rendszer tervezésének els? lépése annak a mérlegelése, hogy az adott helyen van-e értelme az elképzelt rendszer megépítésének. Ehhez PV-GIS eszközt kell használni, amelyr?l részletesebben a 6. fejezetben írunk. A szabadon álló rendszereknél az esetek többségében a tájolás és a d?lésszög is megválasztható, és sorházas építésnél a környez? épületek általi árnyékolás problémája is felmerülhet. A tet?re telepített rendszerek építése esetén a tervezéskor azt is szükséges mérlegelni, hogy a tájolás és a tet? d?lésszöge nem tér-e el olyannyira az optimálistól (tájolás dél felé, Közép-Európa esetében körülbelül 35°-os d?lésszög), hogy a rendszer gazdasági megtérülésének az ideje meghaladja az élettartamot.

A következ? lépés a fotovoltaikus modulok számának a meghatározása. A szám általában a rendelkezésre álló felület nagyságától és a kiválasztott fotovoltaikus modulok teljesítményét?l függ. Standard módon kristályos szilíciumból készült, 60–72 elemb?l álló modulok használatosak, de rendelkezésre állnak ún. vékonyréteg? fotovoltaikus modulok is, amelyeknek kisebb sugárzásnál egyes kedvez?bb tulajdonságai is jelentkeznek, ugyanakkor egy Watt telepítéséhez nagyobb felületre van szükségük. A fotovoltaikus modulok szokványos típusainak 240 Wp körüli a teljesítményük (Wp – Wattpeak – a fotovoltaika terén használatos egység – egy 1 W teljesítmény standard tesztkörülmények közepette, tehát címkeértékr?l van szó).

A panelek teljesítményének összeszámlálását követ?en megkapjuk a telepített egyenirányú teljesítményt, amelyet váltakozó irányúvá kell alakítani. Erre szolgálnak a váltóirányítók, amelyek különböz? fajtájúak lehetnek. A kisebb rendszerek céljára a leggyakrabban sorozatba rendezett váltóirányítók szolgálnak, amelyek rendszerint néhány modult fognak össze. Manapság azonban ún. AC panelek is rendelkezésre állnak, amelyek esetében minden egyes panelben integrált váltóirányító van. A paneleket tehát probléma nélkül egymáshoz lehet kapcsolni, majd közvetlenül a hálózathoz csatlakoztatni. Sorozatba (vagy sorozatok csoportjába) kapcsolt átalakítók esetében bizonyos veszteségekkel is számolnunk kell. Ha például 5,2 kWp a telepített teljesítmény, nem szükséges 5 kW-osnál nagyobb váltóirányító használata, abban az esetben sem, ha optimális a d?lésszög és a tájolás. Ezt egyrészt a rendszerben jelentkez? járulékos veszteségek (kábelezés, az átalakítók hatékonysága…) okozzák, valamint a nem optimális feltételek (besugárzottság, h?mérséklet).

A váltóirányító kiválasztását követ?en a paneleket egyes sorozatokra – stringekre választják szét, azaz az egyes panelek sorozatos és párhuzamos kombinációjára.Rendszerint 10–15 panel van sorozatba kapcsolva egy-egy stringen belül. Ebben az esetben általában a választott váltóirányítóhoz kell igazodni, mert az egyes konfigurációkat nem tesz lehet?vé. Egyes gyártók esetében közvetlenül szoftver is rendelkezésre áll (például SMA ,Fronius , Solarmax ), amely lehet?vé teszi komplett rendszerterv kialakítását – az alkatóelemeket is beleértve.

Ha kiválasztottuk a paneleket és a váltóirányítót, valamint a szerelés és a konfigurálás módját, már szinte mindent el?készítettünk. Ekkor jön a kábelek beszámítása – a hossz és a választott keresztmetszet alapján (amely az átviteli teljesítményt?l függ) számíthatók ki a kábelekkel kapcsolatos veszteségek, amelyek a rendszer összveszteségének képezik majd a részét. Ez fontos az egész projekt gazdasági mérlegének záróértékelése szempontjából (PV-GIS eszköz használata esetén ez már bele van számítva a rendszerveszteségbe, tehát már nem szükséges beszámítani a további veszteségeket).

5.   Grid-off rendszer tervezése

A grid-off rendszer tervezésének a módja nem nagyon különbözik a hálózatba kapcsolt rendszer tervét?l. Ennél is annak az ellen?rzése az els? lépés, hogy a projektnek van-e értelme, s a gazdasági mérleget némi túlzással a legközelebbi áramcsatlakozótól számított kilométerek számában lehet kifejezni.

A panel d?lésszögének megválasztásakor szükséges figyelembe venni az objektum áramfogyasztásának a jellegét. Ha például az objektum egész évben használatban van, a d?lésszöget inkább a téli hónapokra jó optimalizálni (a mi feltételeink közepette 60°-os d?lésszögr?l van szó). Ha az objektum teljes fogyasztását kizárólag fotovoltaikus forrásból akarjuk fedezni, akkor a fotovoltaikus modulok számán kívül (amelyeknél a telepítésre rendelkezésre álló felületb?l indulunk ki) az akkumulátorok megfelel? nagyságát is ki kell választanunk (ha áramot akarunk akkor is, amikor nem süt a Nap). A terv az objektum fogyasztásából indul ki, és abból a biztonságból, amelyre a kevésbé napsütéses napokon is szükségünk van. Ha nem okoz túl nagy gondot az áramkiesés, kisebb akkumulátorok is használhatók. Az akkumulátorok ára még mindig nagy, de a mostani trendek arról vallanak, hogy az árszint a következ? években jelent?s mértékben csökkenhet. Ha az a megfontolás tárgya, hogy az átlagos napi termelés nagyobb a napi átlagfogyasztásnál, szokványos vidéki objektum esetében olyan elemek igénybe vételét kell átgondolnunk, amelyeknek a kapacitása 3–5-szöröse az objektum átlagfogyasztásának. Nagyobb energiaigény? alkalmazások esetén az akkumulátorok kapacitása legfeljebb az objektum átlagfogyasztásának a nyolcszorosa (itt az átlagtermelés és az átlagfogyasztás közti nagyobb aránnyal számolunk – tehát a fotovoltaikus modulok nagyobb számával is). A folyamatosan üzemel?, teljesen autonóm rendszer esetében – például BTS állomásnál – az állomás teljesítménye és a fotovoltaikus mez? teljesítménye közti arány 1:50 – a berendezés 1 W teljesítményéhez körülbelül 50 Wp-nyi fotovoltaikus mez?re és megfelel? elemekre van szükség.

Az akkumulátorok kiválasztásán kívül jó fontolóra venni azt is, milyen fogyasztókat választunk az objektumba, s azokat miként használjuk. Ma már egyenirányú fogyasztók egész sora áll rendelkezésre, amelyek így lehet?vé teszik, hogy olcsóbbá és egyszer?bbé váljon az egész rendszer (nem kell váltóirányítót telepíteni, elég a szabályzó), de minimum jó, ha az energiaigényes fogyasztókat takarékosakra cseréljük, s ésszer?sítjük a fogyasztást. Például nem szükséges éjjel mosni, és ezzel az elemekben lév? áramot használni, hanem – éppen ellenkez?leg – fényes nappal kell mosni, amikor várhatóan áramfölösleg is rendelkezésre áll majd. A hasonló objektumok (f?ként a hibrid kis házak) intelligens irányításával manapság cégek egész sora foglalkozik, és kulcsrakész megoldásokat kínálnak.

A grid-on rendszerek esetében használt klasszikus váltóirányítókon kívül az autonóm rendszereknél olyan szabályzókat használnak, amelyek az energia áramlását irányítják, azaz megszabják, hogy a fotovoltaikus panelekb?l nyert energiát a rendszer az akkumulátorok töltésére használja, vagy pedig az objektum ellátására fordítsa. A szabályzók ellen?rzik az akkumulátorok feltöltöttségi szintjét, és kritikus értékeknél az akkumulátorokat leválasztják. Egyes szabályzókat már intergrálták a váltóirányítóval, másokat váltóirányítóval kell kiegészíteni, hogy az objektumot el lehessen látni. A váltóirányító használatát ezután rendszerint a szabályzó paraméterei szabják meg.

6.   Hasznos eszközök

Miként azt az el?z? fejezetben is taglaltuk, saját terv esetében els?sorban ismerni kell a helyi feltételeket a besugárzottság és a telepített fotovoltaikus er?m? feltételezett éves hozama szempontjából.

A fotovoltaikus er?m?vek mai s?r?sége mellett az az egyik lehet?ség, hogy kapcsolatba lépjünk a környékbeli üzemeltet?kkel, és megpróbáljuk megvitatni velük a szándékunkat. Mivel azonban a fotovoltaikus er?m?vek kapcsán számos, a teljesítményre is hatással lév? hiba adódhat – amiként arra sorozatunk következ? részében is rámutatunk –, megbízhatóbb módszer valamely szimulációs eszköz használata és a leend? telepítés helyén végzett szemle.

Az egyik legelterjedtebb eszköz a PV-GIS rendszer. A rendszer mögött az Európai Bizottság, a Joint Research Centre Institute for Environment and Sustainability (JRC) és annak minden felhasználó számára ingyenes igénybevétele áll. Olyan webes alkalmazásról van szó, amely a beérkez? sugárzás mennyiségér?l szóló adatbázisra, valamint a CM SAF más, klimatikai és m?szaki adataira épít. Ez az adatbázis a m?holdas mérésekb?l szerzett információkból áll össze, ezek pontossága tehát több mint elégséges a modellezett fotovoltaikus er?m?vek átlagos hozamának a megállapításához. A rendszer felhasználóbarát módon m?ködik, a telepítés helyének az integrált Google-térképen történ? alapvet? kiválasztását követ?en ki kell tölteni a modellezett fotovoltaikus er?m? alapadatait. Ezen adatok közé tartozik mindenekel?tt a fotovoltaikus panelek esetében alkalmazott technológia, annak névleges teljesítménye és a fotovoltaikus mez?nek a Nappal szembeni tájolása. A szimulációnak mindenekel?tt az átlagos év egyes hónapjaira vonatkozó feltételezett hozamok grafikonja és táblázata az eredménye. Itt arra szükséges figyelmeztetni, hogy a tényleges hozamok az id?járás hatására akár 15%-kal is eltérhetnek. Átlagban azonban a rendszer körülbelül az el?rejelzetthez viszonyított 5%-os eltérést mutat. Járulékos funkcióként a PV-GIS rendszernél lehetséges az off-grid rendszerekhez használatos kalkulátor használata. Azzal például arról szerezhet tudomást, hogy az adott hónapban átlagban hány olyan nap van, amikor a meghatározott szint alá merülhet az akkumulátoros elem.

7.   Befejezés

Cikkünkben a fotovoltaikus rendszerek tervezésével kapcsolatos alapvet? tudnivalók szerepelnek. A min?ségi rendszer tervezésének problémaköre ennél lényegesen nagyobb, a fotovoltaikus er?m?vek tervez?jének a kiképzése több hónapig vagy évig tarthat. Ebben a kontextusban ne szalassza el sorozatunk további részét, amelyben a mostani fotovoltaikus rendszereknél jelentkez? leggyakoribb hibákkal foglalkozunk!

A cikk nem tért ki a fotovoltaikus rendszerek tervezésével kapcsolatos további fontos korlátozásokra és szabályokra, sem a múltbéli, sem pedig a jelenlegi jogszabályokra. Ezekkel a témáknak is külön írást szentelünk.

Forrás: napenergiainfo.hu