Barion Pixel

VGF&HKL szaklap

Fotovillamos és hibrid rendszerek

A napenergia hasznosítása II.

2015/9. lapszám | Kardos János |  2767 |

Az alábbi tartalom archív, 6 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Fotovillamos  és hibrid rendszerek

Az épületgépészet számára egyre fontosabb az áramtermelés, ezért nem érdektelen áttekintenünk a napelemes rendszereket, már csak azért sem, mert ahhoz, hogy vizsgálhassuk a hibrid rendszereket, ismernünk kell mindkét oldalt.

Napelemek felépítése

A fotovillamos napenergia-hasznosítás legalapvetőbb eszköze a napelem, amely a napsugárzás energiáját alakítja át közvetlenül villamos energiává. A napelemek készítésének alapanyaga a megfelelő vastagságú p-n átmenettel (lyuk-elektron párt szétválasztó réteggel) rendelkező félvezető. Ebben zajlik le az energiaátalakítás folyamata. A jó hatásfokú energiaátalakító eszköz készítéséhez általában mono- vagy polikristályos szilíciumot használnak.

A napelemek fajtái

Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg:

  • Monokristályos szilícium (Si) napelem: drágák, de hatékonyak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 31%).
  • Polikristályos Si napelem.
  • Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak.
  • Fém-félvezető fémszerkezetek: festékanyagokkal érzékenyített félvezető-oxidok. A hatásfokuk kevesebb, mint 10%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid napelem.
  • Adalékolt amorf félvezető napelem.
  • Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%.

A napelemek hatásfokát a környezeti, valamint a konstrukcióval összefüggő tényezők egyaránt befolyásolják. A környezeti tényezők közül a hőmérséklet a legfontosabb. 

A napelem gyakorlati hasznosítása

A napenergia fotovillamos hasznosításának a fogyasztóknál két alapvető típusa van:

Szigetüzemű napelemrendszer

A szigetüzemű napelemes rendszerek neve onnan ered, hogy önmagukban, önállóan, mindentől függetlenül működnek, ellentétben a hálózatra kapcsolt napelemes rendszerekkel, melyek működéséhez elengedhetetlen a közüzemi villamos hálózathoz való csatlakozás. Szigetüzemű rendszert abban az esetben érdemes kiépíteni, ha a csatlakozás a hálózatra nem lehetséges, vagy a hálózat kiépítése túl drága lenne. A szigetüzemű rendszer akár 30-50%-kal is drágább lehet, mint egy hálózatra visszatápláló. Az árkülönbség legfőbb oka az akkumulátorok magas ára. Emellett még az invertert a lehetségesen előfordulható legnagyobb fogyasztásra kell méretezni, míg a hálózatra visszatápláló rendszereknél csupán a telepíteni kívánt napelemes rendszerhez kell az invertert megfelelően kiválasztani.

Az energia termelését a napelemek végzik. A megtermelt energia a töltésvezérlőn keresztül az akkumulátorokban tárolódik. Abban az esetben, ha egyenfeszültségű fogyasztókat használunk (ledes világítás, riasztórendszer), akkor inverterre nincs szükségünk, ilyenkor elég egy jobb töltésvezérlő elektronika, mely elirányítja a rendszerünket, védve a fogyasztókat, önmagát és az akkumulátorokat a káros terhelésektől, üzemállapotoktól. Ha hagyományos fogyasztóink vannak, akkor elő kell állítanunk nekik a szükséges 230 V-os váltakozó feszültséget.

Ehhez már szükséges az inverter. Vannak olcsóbb és drágább készülékek. A kiválasztásnál figyelembe kell venni a felhasználási területeket. Sok villamos készüléknek fontos, hogy valódi szinuszos feszültséget kapjon, mert különben tönkremegy. A nagyon olcsó inverterek jelalakja sokszor egyáltalán nem szinuszos, hanem valamilyen trapéz- vagy fűrészjel, ami nem minden villamos fogyasztó táplálására alkalmas.

Hálózatra kapcsolt napelemrendszer

A napelemmodulokat megfelelően összekapcsolva azokat egy inverterhez kell pola-ritáshelyesen csatlakoztatni, majd a hálózatra kapcsolni! Ennek a rendszernek a legnagyobb előnye a szigetüzeművel szemben, hogy nincs szükség akkumulátorokra, melyek nagymértékben megnövelnék a költségeket. A nyári csúcsidőszakban megtermelt többletenergia a hálózatban eltárolható, és rossz időben vagy éjszaka, amikor a napelemek nem termelnek, visszavételezhető. A szolgáltató egy oda-vissza mérő órát szerel fel, a termelés-fogyasztás megállapítása egy éves elszámolás során történik.

Hibrid kollektor

A hibrid kollektor egy PVT kollektor, amely egy szerkezeti egységbe foglalja a villamos energia termeléséhez használt fotovoltaikus (PV) és a termikus energiatermeléshez használt termikus (T) egységet, azaz az úgynevezett napelemet és síkkollektort. A napelemek önálló használatának legnagyobb hátránya, hogy a teljesítményük nagymértékben függ a felületi hőmérséklettől. A legnagyobb napsütésben, mikor a körülmények ideálisak villamos energia előállításához, a szilíciumréteg felmelegedése miatt a hatásfok és ezzel együtt a termelt villamos energia mennyisége drasztikusan csökken. A felületi hőmérséklet folyadékkal történő csökkentésével a hatásfok jelentősen növelhető, továbbá a hűtésre használt közeg hőtartalma a csatlakozó épületgépészeti rendszerben tovább hasznosítható fűtésre vagy használati meleg víz (HMV) előállítására.

A megoldás: áram és hő egyidejű termelése

A napenergia leegyszerűsítve látható és láthatatlan hősugarakból áll, melyek különböző technológiával hasznosíthatók. Nem ritka, hogy a szolár kollektorok és a napelemek „versengenek” az igénybe vehető napos tetőfelületért, miközben létezik megoldás a Napban rejlő potenciál kihasználására és egyidejűleg a fotovillamos effektus hatásfokproblémájának megszüntetésére.

A hibrid kollektor felépítése

Mivel a napelemek és a napkollektorok szerkezete teljesen eltér egymástól, a hibrid kollektornak mindkét panelre jellemző struktúrát ötvöznie kell. Napelemek esetében a környezet felé elvezetendő hőnek fontos szerepe van, hiszen a felületi hőmérséklet növekedésével a villamosenergia-előállítás hatásfoka jelentősen romlik. Ehhez hozzájárul, hogy a panel működéséből kifolyólag is hőt termel. Napkollektorok esetén viszont a kollektor által megkötött napenergia csak jó hőszigeteléssel fordítható a kollektorban áramló közeg jó hatásfokkal történő felmelegítésére.

Az ideális felépítésnél a szigetelőanyaggal burkolt szerkezetben a közvetítőközeget melegíti a napsugárzás és a napelem, ám a csőrendszerben keletkező hő már nem áramlik a környezet felé, hanem medencefűtésre, melegvíz-készítésre használjuk fel.

Előnyök

  • Esztétikum
    A villamosenergia-termelésre használt napelemek és a hőtermelésre alkalmazott síkkollektorok funkciójuk és működési elvük miatt különböző méretekkel és felületi struktúrával jellemezhetők. Ezek egyidejű alkalmazása rendezetlen, kusza összképet eredményez. A vizuális környezetszennyezés helyett egy kulturált megjelenésű, az épülethez illeszkedő elem kerülhet a ház tetejére. Ezen túlmenően, mivel a hibrid kollektor hatékonyabban tudja a villamos energiát előállítani a napelemhez képest, a kívánt teljesítmény megtartása mellett kevesebb felületre van szükség az elhelyezéshez, így a szemlélődő tekinteteket nem a felesleges technikai elemek vonják magukra, az építészeti megoldások jobban érvényesülnek, az épület szépsége, egységes összképe hangsúlyosabban megmarad.
  • Magasabb hatásfok
    A napelemek műszaki adatait azonos feltételek mellett adják meg a gyártók, úgymint: besugárzás: 1000 W/m², hőmérséklet: 24 °C. A panelek hatásfoka a hőmérséklet növekedésével jelentősen romlik; a felületi hőmérséklet 1 °C-kal történő emelkedése 0,3-0,5%-kal csökkenti a villamos teljesítmény termelését. Nyári melegben a felület hőmérséklete akár 110 °C is lehet, tehát a villamosenergia-termelés akár 43%-kal is csökkenhet, jelentősen rontva az éves nyereséget. Az aktív hűtéssel üzemeltetett fotovoltaikus, azaz PVT kollektorok felületi hőmérséklete közel esik az ideális üzemi hőmérséklethez. A hibrid kollektor alkalmazása esetén (45 °C felületi átlaghőmérséklet mellett) az éves energiatermelés akár 20%-kal magasabb lehet, mint egy hasonló, de nem hűtött napelem esetén.

Tanszéki mérés

A továbbiakban ismertetett méréseket a Szent István Egyetem Gépészmérnöki kar Fizika és Folyamatirányítás Tanszék által üzemeltett rendszerén végeztem. Mérésem megkezdésekor egy sík- és egy hibridkollektor volt üzembe helyezve. Célom a két kollektor teljesítményének mérése, majd ezek összehasonlítása volt.

A rendszer részei:

  • szolár tároló (300 l-es, belső hőcserélős),
  • keringtetőszivattyú,
  • vízóra,
  • csővezetékek (szigetelt acél-flexi cső),
  • térfogatáram-mérők,
  • hőszenzorok (ellenálláshőmérő),
  • sugárzásintenzitás-mérő (45°-os elhelyezés),
  • mérőrendszer (ADAM modulok, PC)

A mérés bemutatása

Ezen keresztül kommunikálnak a PC-vel, azon belül is az erre a célra fejlesztett szoftverrel. Maga a szoftver a DatAcq nevet viseli, és a tanszék fejlesztette. Alkalmas a beérkező adatok rögzítésére és vezérlésre.

Az ADAM modulok kéteres vezetéken keresztül összeköttetésben vannak egymással és a központi számítógéppel, így a sok kábel használatával járó bonyodalmak elkerülhetők. Az adatok ilyen módú, digitális formában történő szállítása során az adattorzulás kizárt, az adatvesztés pedig minimalizált.

A modulok RS 45-ös porton keresztül kommunikálnak egymással, a számítógéphez viszont RS 232-es porton keresztül lehet csatlakozni, ezért egy átalakító szükséges, mely oda-vissza konvertálja az adatforgalom jelszintjeit és protokollját.

Ezt a feladatot szintén egy ADAM modul hatja végre.

A rendszer gerincét ez a kapcsolatsor alkotja. A szoláris berendezések sokfélesége miatt sokféle paramétert kell mérni, az ADAM modulok azonban csak feszültség-, áram-, ellenállás- és frekvencia-bemenetekkel rendelkeznek, tehát kiegészítő áramkörök is szükségesek voltak. Ezen illesztő áramkörök az adott paraméter méréséhez szükséges érzékelők által szolgáltatott jeleket arányos feszültségváltozássá alakítják.

A méréshez használt érzékelők

A korábban felsorolt jellemzők mérését a rendszerhez kapcsolt mérő-adatgyűjtő rendszer végzi. A hőmérséklet méréséhez minden egyes ponton III. osztályú, Pt1000 típusú platina hőmérőt használtunk. Tekintve, hogy a vizes kollektoros rendszerben a 0–140 °C-os tartományon belüli hőmérsékletértékek fordulnak elő, illetve a Pt1000-as hőérzékelők ezen tartományon belül lineáris karakterisztikával rendelkeznek, így a használatuk célszerű volt. A kívülről könnyen hozzáférhető helyeken az 1×3×10 mm kiterjedésű lapkaérzékelőket használtuk, ezeket ugyanis egyszerű volt a mérendő felülethez illeszteni. Az így elhelyezett érzékelőket jó hővezető tulajdonságokkal rendelkező tömítőanyaggal kezeltük, ami a felület és az érzékelő közötti hőmérsékletkülönbséget a minimálisra csökkentette. A felszerelésnél további szempont volt, hogy külső téri alkalmazásoknál az érzékelő ne legyen kitéve a Nap közvetlen sugárzó hőjének.

A tároló tartályban a hőmérsékletrétegződést NTC 10k-s termisztorral mérjük. Ezen érzékelők 6 mm átmérőjű, kerámiahenger kialakításúak.

Illesztő áramkörök

A rendszerben mérendő paraméterek többsége valamilyen hőmérséklet. A hőmérséklet mérését PT1000-es platina ellenállás-hőmérővel valósítottuk meg. Ez az érzékelő 3,85 -mal növeli ellenállását C-onként. A karakterisztika lineáris a számunkra szükséges 0-100 0C-os hőmérséklettartományban. Az ellenállás értéket egy ADAM4015-ös modul alakítja át digitális hőmérsékletjellé.

A sugárzásérzékelő egy globális sugárzás- érzékelő. Ilyen szintű mérőrendszer kiépítése a hétköznapi felhasználás során nem szükséges. Esetünkben a részletes monitorozó-mérő, adatgyűjtő rendszerre volt szükség, tekintettel arra, hogy a részegység jellemzőinek optimalizálásához sokkal mélyrehatóbb és szélesebb körű vizsgálat volt szükséges.

A mérőszoftver

A másik fő célja a rendszernek a folyamatosan gyűjtött és letárolt adatok feldolgozása, megjelenítése grafikonokon, és kiértékelésük. Ezt a központi számítógép végzi, amelyhez az ADAM modulokból felépülő lánc kapcsolódik. Mivel az ADAM modulok egy soros vonalra vannak felfűzve, így az adatforgalom szinkronizálása és konfliktusmentes megtörténte csak úgy oldható meg, hogy azok mindegyike egyéni címmel rendelkezik, s a számítógép egyszerre csak egy modult szólít meg. Ennek következtében a számítógépen folyamatosan futnia kell egy adatgyűjtő programnak, mely a számítógépet bizonyos szinten lefoglalja. A program Windows-os környezetben való futtatása lehetőséget biztosít további feldolgozó programok futtatására is.

A mérési folyamatok során gyűjtött adatok olyan módon kerülnek tárolásra, hogy azokat Excel vagy Matlab szoftverekkel későbbi feldolgozás céljából lehetőség legyen olvasni. A monitorozó program futhat az adatgyűjtő számítógépen is, de az adatállományok átvitelével másik, a rendszertől független gépen használható. A programot a rendszer egyedi tulajdonságai miatt egyedileg írtuk C nyelven, Windows operációs rendszer alatt.

Sugárzási mérési adatok kiértékelése

A számításokhoz a Szent István Egyetem Gépészmérnöki kar Fizika és Folyamatirányítás Tanszék 2011. évi sugárzási adatait használtam fel. Számításaim alapján a globális sugárzás összege a 2011. évre 1226 kWh/m².

Hibrid kollektor hatásfoka

A kollektor termikus teljesítményének meghatározásához az alábbi adatokat mértük:

  • be- és kilépő folyadékhőmérséklet,
  • térfogatáram,
  • két mérés között eltelt időtartam.

A szolár folyadék (1:1 arány propilén-glikol és desztillált víz) fajhőjét és sűrűségét az irodalmi adatokból vettem. Az adott öszszefüggéssel meghatározott termikus teljesítményt a beeső sugárzás teljesítményével összevetve egy hatásfokjellegű jellemzőt kapunk. Ez ugyan változik a működtetési paraméterek változásával, de mégis jellemzi az eszköz működését.

PV hatásfok és összehasonlítás más típusú napelemmel

A hibrid kollektor elektromos teljesítményének méréséhez egy töltésszabályozón keresztül mértük az akkumulátorblokk feszültségét és a töltő áramot, ezek szorzata adja az elektromos teljesítményt. Az adatok 10 perces átlagértékei kerületek elmentésre az adatgyűjtő rendszerben.

A hibrid kollektor elektromos teljesítményét összevetettem egy polikristályos, 240 Wp (4×60 Wp) teljesítményű blokk elektromos teljesítményével, amit szintén a fenti módon mértem. A két eszköz napi energiatermelésének összehasonlításából az látszik, hogy a hibrid kollektor pár százalékkal több elektromos energiát termelt, mint a 240 W-os telep.

Hatásfok kimérése a hőmérséklet függvényében

Közismert, hogy a napelemek hatásfoka erősen hőmérsékletfüggő. Ennek igazolására kiválóan alkalmas a hibrid napkollektor, hiszen a szolár folyadék hőmérsékletének változtatásával az őt borító napelem hőmérséklete is szabályozható bizonyos mértékig. Tehát a napelemet „meghűtve” – azaz belőle a hőt a szolár folyadékkal kivéve – a hatásfoka jobb lesz.

Az erre vonatkozó mérési adatok közül néhányat a táblázat tartalmaz. A mérési adatok alapján felállítható grafikon is ugyanezt a hatást mutatja. Ez a jelenség állhat annak hátterében, hogy a kisebb névleges elektromos teljesítményű (190 W) hibrid kollektor kicsit nagyobb elektromos teljesítményt adott le, mint a nála nagyobb teljesítményű (240 W) polikristályos egységek.

NapelemNapenergiaNapkollektor


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

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem