Most már értem a napenergiát XXX. - Teljesítmény és hozam mutatók, azaz mennyi az annyi

Teljesítmény és hozam mutatók: Eff, PR, QF, FF, Sf, Cf, YOYPIX és társaik, azaz mennyi az annyi …. 

Avagy a napelem és napenergia erőművek hozamainak rejtélyes világa

Bevezetés

Egyre több szó esik a hosszabb távú energetikai lehetőségeinkről akár egyéni akár közösségi vonatkozásban. Lassan ugyan, de egyre jobban körvonalazódik az az energia modell is, melyet érdemes lenne (lesz!) követnünk a jövőben (2030-2050). Ez valószínűleg egy – a mostaninál sokkal (és okkal) - jobban átgondolt Energia MIX lesz, melyben egyaránt helyet kapnak a globális és lokális energiaforrások, mégpedig a lehető legszélesebb skálán ideértve, a nukleáris energiát és az ÖSSZES lehetséges megújuló forrást is. Cikkünk címe is sok, rejtélyesnek tűnő fontos kifejezést tartalmaz, melyeket sorra megmagyarázunk. Kilencféle – a hatékonysággal kapcsolatos – mérőszámot mutatunk be, ismertetve a definíciós képleteket is (EQE, IQE, Eeff, FF, PR, SF, Cf , Yf, PI).

Legfőbb forrásunk a napenergia

Szinte únos-úntalan halljuk, hogy a legfőbb energiaforrásunk a NAP, A Nap tartja el a Földet… Számos ember számára ez talán elcsépelt mondásnak is tűnhet, de a fizika az fizika, és a tények a kemény valóságot jelentik. A nukleáris energia ugyan a legnagyobb sűrűségű energiaforrásunk, de a lehetőségeket, és egyéb tényezőket (ár/érték arány, kockázatok, beruházási idő stb.,) figyelembe véve nagyon is ésszerű választásnak tűnik az energia mix alkalmazása, melynek egyik legfontosabb eleme a napenergia hasznosítás.

A szakcikkeink - kissé komolyabb hangvételű - nyelvezetébe legyen szabad most beillesztenünk egy kissé lazább nyelvezetet.

Megy a hajó, a kapitány a szócsövön lekiált a gépházba:
-Mennyi?
A gépházból kisvártatva érkezik is a válasz:
-35!
Kapitány: 
-Mi harmincöt?
Válasz:
-Mi mennyi?
-…..

A valós életben is hasonló, sok félreértelmezéssel találkozhatunk. Nosza nézzük meg mi is kissé alaposabban, hogy mi mennyi …, vagyis mennyit is hoz a konyhára a napenergia? Mire számíthatunk, mint forrás és egyáltalán … 

Az energia hozam 

A befektetéseinket elsősorban a hozam (hozadék) alapján és pénzügyi értelemben, szoktuk minősíteni. Nagyjából ezt a (szigorú) magatartást követi világszerte sok – sok beruházó is. 

A napenergia piac azonban nemcsak pusztán a pénzről szól.

A fizikában is ismeretes fogalom, a hozam, hozadék, jövedék, nyereség, de a gyakorlatban leginkább egy szerényebb – az alapvető emberi mohóságunkat jobban elfedő, és - kissé visszafogottabb kifejezést, a hatásosság, hatásfok kifejezést szoktuk használni. Az angol irodalomban ezt „efficiency”-nek hívják (jelölése a görög ƞ, eta), szokásos rövidítése Eff, eff. 

Eléje tesszük, hogy mire vonatkozik, például, ha energiáról beszélünk, akkor az energiahatékonyságra az E_eff a jelölés. Egy folyamattól – melybe pénzt, energiát, szakmai tudást fektettünk - azt várjuk el, hogy „többet hozzon a konyhára”, mint amit befektettünk. Ez az elvárásunk sajnos nem mindig teljesül.

az energetikában ez az érték sajnos mindíg:

ƞ (eff) <  1 

A hatásfok, hatékonyság - egy dimenzió nélküli szám, tizedes vagy százalékos formában megadva. (Sajnos többnyire egynél kisebb!)

Energia átalakító gépeink hatásfoka – szinte kivétel nélkül – kisebb, mint egy, ami azt jelenti, hogy többet kell befektetnünk, és kevesebbet kapunk vissza.

A napenergia világában, a napelemre alkalmazva, a számláló azt az energia értéket jelenti mely a napelemből kinyerhető, a nevező pedig a Nap-ból érkező energiát jelenti.

Közismert, hogy a fény (elektromágneses sugárzás) energiát hordoz. A napelem – különleges szerkezetével és a benne lejátszódó folyamatok segítségével - ezt a fénysugárzást alakítja át villamos energiává. 

A fizikában - és mindennapi életünkben is – az egyik legfontosabb fogalom az energia, egy nehezen magyarázható és még nehezebben érthető fogalom. Minden nap szinte minden tevékenységünk az energiával kapcsolatos a jelenségről magáról, mégis eléggé „homályosak a fogalmaink”. (Az SI rendszer megalkotói sem tudtak direkt mértékegységet a 

Az energiát elég nehéz mérni, furcsa, de nincs is direkt mérőszáma. Többnyire hőenergia (hőmérséklet) mérésen alapul, illetve erre vezethetők vissza a mérési technikák.

Az SI hét alapegységet definiál, de érdekes és meglepő módon az egyik legfontosabb dolognak, az energiának nincs közvetlen direkt mértékegysége, csak leszármaztatott egységei vannak (mkp, eV, Ws, kWh, cal, joule). Ezek átváltása sok félreértéssel jár.

Az energiaformákat elméletileg vissza lehet vezetni a fizika négy alapvető kölcsönhatásának valamelyikére. 

Az energia alapvető entitás (létezés, valóság), melyet nem lehet sem megszüntetni, létrehozni. 

(A Termodinamika I. II. tételei)

Az energia szó a görög ενεργεια kifejezésből ered, ahol az εν- jelentése „be-” az έργον-é pedig „munka” az -ια pedig absztrakt főnevet képez. 

Az εν-εργεια összetétel az ógörögben „isteni tett”-et vagy „bűvös cselekedet”-et jelentett, Arisztotelész később „ténykedés, művelet” értelemben használta, Diodórosz Szikulosz pedig egy „gép ereje”-ként.

„Minden tevékenység alapja”.

Egy dolog, ami kifogott az emberi elmén. Van valami, amit naponta használunk és nem tudjuk, hogy pontosan mi is az. De ne ragadjunk itt le, inkább nézzük a gyakorlatot.

Az energiának ára van, tehát az energia hozam pénzügyi hozamra váltható … - sajnos ebbe már társadalmi és egyéb politikai tényezők is beleszólnak.

Az energia kinyerése

A legfontosabb teendőnk, egy adott rendszerből energiát kell kinyerni. Ez általában valamilyen átalakítással és veszteséggel jár. A folyamatból kinyert energia (szigorúan vett értelemben) mindíg kevesebb mint a folyamatba beérkező (veszteségi tényező, loss, L, hatásfok ƞ (eta)).

A fizika egyik fontos alapegyenlete:

teljesítmény * idő = energia

E = W = F * s = N * m = J = W*s = V * A * s

A továbbiakban hétféle – a hatékonysággal kapcsolatos – mérőszámot mutatunk be, ismertetve a definíciós képleteket is (FF, Eeff, PR, SF, Cf , Yf, PI).

EQE, IQE

Kezdjük a legelején az alapvető folyamatokkal. A fény és anyag kölcsönhatása sokféle lehet. Számunkra az a kedvező, ha a fényből kinyerhetjük az energiát. 

Ez úgy lehetséges, ha a fény -a felfogására általunk használt anyagban (félvezető) - elektronokat tesz szabaddá, azaz gerjesztéssel átjuttatja, átlöki őket a vegyérték sávból, tiltott sávon keresztül, a vezetési sávba. Ezzel folyamattal kapcsolatosak az IQE és EQE hatékonyság, hatásfok fogalmak. 

IQE – internal kvantum efficiency, belső kvantum hatásfok, EQE – external kvantum efficiency, külső kvantum hatásfok.

A külső kvantum hatásfok esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a beérkezett fotonok számával.

IQE > EQE

A belső kvantum hatásfok esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a ténylegesen elnyelt fotonok számával.

EQE = IQE * (1-reflexió-transzmissziós tényező)

Miután kinyertük az elektronokat, a következő lépés, hogy olyan megfelelő alapegység készüljön – napelem cella – melyből felépíthetjük a napelemet és a további nagyobb napelemes rendszereket. Minél több alkotóelemet kapcsolunk a végső rendszerbe annál kevesebb lesz a végső kinyerhető energia, mert mindegyik egységnek saját vesztesége van és ezek összeadódnak.

A kitöltési tényező, FF, fill factor

A napelemet jellemző fontos tényező értelmezéséhez a napelem feszültség-áram jelleggörbéjét (I-V jelleggörbe) kell segítségül hívni. Az egyes napelem egységek (cellák) összekapcsolásakor kialakul a napelem eredő jelleggörbéje, mely hőmérséklet és besugárzás függő (paraméteres görbeseregek sokasága), ezért egy adott konkrét görbe adatai, csak egy adott hőmérsékleten és adott besugárzás esetén igazak. Az STC paraméterek esetén egy – a technológiára - JELLEMZŐ jelleggörbét kapunk, melyet a gyári adatlap is feltüntet.

A kitöltési tényező az adott (célszerűen maximális) munkaponthoz tartozó négyszög és az elméletileg elérhető maximum paraméterekhez (Isc és Voc) kapcsolódó négyzet hányadosa.

Az FF az idő múlásával (öregedés, egyéb degradációk, PID, stb.,) változik rendszerint csökken.

A jó napelem - FFSTC,BOL –  induló értéke tipikusan 75-85 körül van (BoL, Beginning-of-Life, azaz a használat kezdetén).

Napelem hatékonyság (energy efficiency)

A napelem, (fizikai alapdefiníció szerinti) energetikai hatásfoka (Eeff, Eeff;STC, PCE ƞ, ƞSTC), rendszerint alacsonyabb az egyéb energiaforrásaink hatásfokánál.

Eeff =1000 W teljesítményű, adott spektrumú fényforrással megvilágított napelem teljesítménye, Wp -ben, (STC feltételekkel)

Wp – a napelemek névleges (rated power) teljesítmény egysége.

A hatásfok – egyéb használatban lévő elnevezése – PCE (power conversion efficiency, teljesítmény átalakítási hatásfok)

Ma (2024) a piacon lévő napelemek átlagos teljesítménye 250-350 Wp. (1000 W-os teljesítményre vonatkoztatva 25-35%.) Találunk azonban extra méretű (1,8 x 2,5m) és teljesítményű (500-750 Wp) napelemeket is! Ezek több cellát tartalmaznak, akár 120-at is, ezért nagyobb méretűek, és ezért hajlamosabbak a cellarepedésre.

Napelemek hatásfoka (2024-ben): 24 – 34% 

(1954-ben az első napelem hatásfoka alig 3% volt!)

napelemes inverter hatásfok 95-98%

Korai gőzgépek (melyek a fáradt gőzt kiengedték a szabadba) __________~5%
egyéb energiaforrások: ___________________________________________25 – 65%
Gőzgép (kondenzátorral) _________________________________________<25%
Benzines robbanómotor __________________________________________21-33%
Dízelmotor _____________________________________________________29-42%
Hagyományos hőerőművek _______________________________________30-45%
Kombinált ciklusú kondenzációs hőerőmű ___________________________<60%
Hőhasznosító hőerőmű (távfűtés) __________________________________<70%
vízerőmű ______________________________________________________<90%
Transzformátor _________________________________________________75-98%
Villamos motor _________________________________________________60-96%
a világ fosszilis erőműveinek átlaga (2008) _____________________33-38%
a magyarországi fosszilis erőművek átlaga (2015)_______________ 15-40%

Ez a paraméter akkor hasznos, ha például össze akarunk hasonlítani különféle konstrukciókat, technológiákat vagy gyártmányokat (gyártókat). A paramétert a napelemek gyári adatlapjai is feltüntetik, korábban csak STC feltételekkel, mostanában NOCT feltételekkel is.

A napelemes rendszerek többsége – ma még – nyereségvágyból elkövetett beruházásokból született, születik környezetvédelmi, stratégiai (és egyéb) szempontok háttérbe szorulnalk.

Rendszer hatékonysági mutatók

Az első rendszerhatékonysági mutató az Esys – névre hallgat.

Ez a hatékonysági paraméter figyelembe veszi a napelemes rendszer által, adott időszakban kinyerhető energiát, és a felületre eső összes beeső sugárzásból (GHI, W/m2) ugyanazon idő alatt számítható energiát (GHI*idő).

Nemzetközi viszonylatban az IEC 61724 számú szabvány írja elő a meghatározáshoz szükséges tényezők definícióját és a meghatározás képletét.

SF (solar fraction) – napenergia fedezeti hányad

A következő mutató az SF (solar fraction), azaz a napenergia hányad.

Ez azt mutatja meg, hogy az adott hely igényének mekkora hányadát tudjuk fedezni kizárólag napenergia forrásból. Az SF nagyon egyedi mutató, összehasonlításra nem alkalmas. 

Képlete:

CF – kapacitás tényező

A kapacitási tényező – CF (Cf) – a napelem rendszer által, a teljes évben szolgáltatott energia, osztva az adott helyre telepített rendszer DC (Wp adat) kapacitásából a teljes évre (7860 óra) számítható 

CF tipikus értéke 0,1 és 0,2 körül van világviszonylatban. Európában 0,1 körüli érték várható.

YF (Yf)  Végleges rendszer hozam 

A napelemes energiakinyerő rendszer végső hozama YF, Yf (final yield), más néven specifikus hozam. Egy adott időszak (óra, nap, stb.,) folyamán kinyert energia, osztva a telepített rendszer névleges (STC) teljesítményével (WpDC, vagy kWpDC ). Ez a mutató alkalmas arra, hogy összehasonlítsunk különféle márkájú és méretű napelemeket. Ez a hozamtényező figyelembe veszi a napelemes rendszer által kinyert összes energiát (időtartam specifikus!), normalizálja a napelem rendszer maximum kapacitására. YF értéke 2,6 – 4,8 kWh/kW körül van.

PR, performance ratio

A PR – jósági tényező – egy aránypárból képzett, dimenzió nélküli mérőszám, mely helyfüggetlen, és relatív értékben azt mutatja mennyit termelt a napelem erőmű a lehetséges elméleti maximumhoz képest. Gyakorlatilag azt az energia arányt mutatja mely a hálózatba kerül (termikus, és egyéb veszteségek és közvetlen fogyasztás figyelembevételével.

Másik gyakori elnevezése QF (quality factor), azaz jósági tényező. Minél jobban közelíti a 100%-ot annál jobb a napelem erőmű. A jóminőségű napelem rendszerek PR értéke 80 körül mozog. A működés során a PR értéke változik, többnyire csökken.

A PR segítséget nyújt abban, hogy az erőművünket (solar generátor) más erőművel összehasonlítsuk, vagy akár önmaga teljesítményével különböző időközökben (javasolt időköz éves).

A PR szerepe a hálózatba táplált napenergia elosztásában

Rövidebb távú mérésekre az úgynevezett „időjárással korrigált PR” használatos inkább.

(A korrekció többféle módon is készülhet.)

Az elkészült napelemes rendszerekből kinyerhető energia több – mondhatni igen sok – tényezőtől függ, ezért sokan próbálkoznak a legjobb, legalkalmasabb algoritmus megtalálásával. Ennek célja egyrészt a múltbeli hozamok (megtérülés, nyereség) kimutatása, másrészt a hozam (várható hozam) előrejelzések megállapítása.

Befolyásoló tényezők:

• a napelem hőmérséklete
• besugárzás erőssége (alacsony besugárzás esetében a PR csökken)
• árnyékolás (erőteljes árnyék esetében a PR 100 fölé is mehet!)
• a mérés időtartama
• kábelveszteségek
• napelem és inverter hatásfok
• öregedés (ha azt tapasztaljuk, hogy a PR hirtelen csökken, vizsgáljuk meg a napelemeket öregedés, hirtelen meghibásodás szempontjából)

A PRAC nevű algoritmus figyelembe veszi az AC kimenetet, a telepített DC (Wp) teljesítményt, az STC feltételeket, a GHI besugárzást (ennek normalizált változatát) és az időt (órás, napi, heti, havi időtartamok).

Ebben paraméter halmazban az egyik legfontosabb tényező az időjárás, a tényleges napsütés és ennek erőssége (DNI, GHI, GDI, TSI). 

A várható hozam (kWh, órás, napi, heti, havi) értékek megadása a hálózatba kötött (grid connected) rendszerek esetében fontos, a hálózatok leterheltsége és az árak miatt. A villamos energia piac – az elosztó hálózat múltból visszamaradt, sajátos, de nem megváltoztathatatlan műszaki, és jogi állapota miatt – igen érzékeny az árakra. 

Csúcsidőben a piaci árak szinte percenként is változhatnak. A jelenlegi villamos elosztó hálózatok – és ez szinte mindenütt a világban érvényes – nincsenek felkészülve arra, hogy gyorsan változó energiaforrásokat gigawatt nagyságrendben kezeljenek! 

Az ingyenes energia befogadása  - jelenleg - nagy gondot okoz az emberiségnek, mert egyelőre „senkinek sincs szerződése a Nap-pal”.

PI performance indicator

A PI hozamjellemző tényező figyelembe veszi a napelemes rendszer által szolgáltatott energiát, egy adott időszakra (éves), és arányítja egy szorzathoz, mely az összes beérkező sugárzási energia (GHI, kWh), valamint a napelem hatásfoka (Eeff) és az inverter hatásfokának szorzata.

És végezetül essen szó még egy érdekes nevű hozam mutatóról.

YOYPIX  - éves összehasonlítási index

A YOYPIX szemléletes, értelmezése nagyon egyszerű. Két azonos naptári időszak (eltérő években) hozamát veti össze egymással. A hozamok számítása is egyszerű: számlálóban az adott rendszer AC hozama (kWh), nevezőben pedig a várható AC hozam ugyancsak kWh mértékegységben (Sandia hozam modell szerint). 

A piacon sokféle technológia létezik. A 6. ábrán hétféle technológiára bemutatunk érzékenységi adatokat, ti., hogy az adott technológia mennyire érzékeny a változásokra a PR mutatón keresztül nézve. A mérések az utrechti vizsgáló állomáson (UPOT, 2016) történtek.

(H1-Mono; M1-Poly; P1-Poly; P2 a-Si/a-Si tandem; A1-CdTe; CT1-CIGS; CG1-SHJ; CS1 CIS)

Összefoglalás

Cikkünkben áttekintettük a hatásfokkal, energia hozamokkal kapcsolatos mutatókat. Bemutattuk, hogy a fény kvantumok befogásától kezdődően milyen hatásfokokat használunk a napelem cellák, mint alapegységek és a napelemek (szakirodalmi zsargon szerinti elnevezéssel) azaz „panelek” esetében. 

A napelemes rendszerek esetében át kell térnünk másfajta mutatók (indikátorok) használatára. Ezek is -kivétel nélkül - hányados jellegű mérőszámok. A számlálóban mindíg az adott rendszer által, adott idő alatt „termelt” energia szerepel. Az egyes tényezők esetében csupán a nevező változik, annak függvényében, hogy milyen szempontból vizsgáljuk a teljes napelemes rendszert. Bonyolultabb képletek hőmérséklet és időjárás szerinti korrekciókat is alkalmaznak, ez jelentősen pontosítja de egyben lényegesen bonyolítja is a képletet, hiszen mint ismerete a napelemek működésének hőmérséklet függése (Isc, Voc, Vmpp) nemlineáris.

Jótanácsok helyett egy kérdés: melyik a legjobb napelem?

Előadások végén gyakran felmerül a kérdés: melyik a legjobb napelem?

Ez egy természetes kíváncsiságból fakadó – látszólag egyszerű kérdés, mégis nehéz az egyértelmű válasz. Mégpedig azért, mert nincs egyértelmű válasz.

A viszont kérdésünk: Mi alapján döntünk?

• A Felhasználó szempontjából: a legolcsóbb, a legtöbb energiát adó, és amely soha el nem romlik,
• A Befektető szempontjából: a legjobb ár/érték arányú, és mely adott (értsd korlátozott ideig!) működő, rövid megtérülési idejű (break-even point), 
• A Környezetvédő szempontjából: olyan napelem, mely a legkevesebb „öko-lábnyomot” hagyja, és soha el nem romlik,
• Az Átlagpolgár szempontjából: kérek több árajánlatot, és amelyik szimpatikus azt választom, csak legyen trendy, meg main-stream,
• A Megtérülés (turn over time) szempontjából: 5-8 év alatti megtérülés, 40 éves működőképesség,
• A Szakértő szempontjából: még nem találták fel (talán, ha a hatásfoka jelentősen meghaladja a 40-50 %, talán a Perovszkit család valamely – még ismeretlen – tagja?