Elindult az új Otthonfelújítási program! Minősítsen elő!
Napkövető rendszerek
A napkövető rendszerek[1] (tracking) lényege, hogy olyan telepítési módokat, és technikai eszközöket alkalmazzunk, mely lehetővé teszi, hogy a napelem, az adott körülmények között a lehető legtöbb energiát gyűjtse be.
Ez többnyire akkor teljesül, ha az aktív felületének normálisa, többnyire (vagyis a napos idő domináns részében) a direkt napsugárzás (DBI, BNI) irányával legyen párhuzamos.
A napkövetés, a klasszikus „egyszerű telepítéshez” képest többlet költséget jelent, de a megtérülést csökkenti.
A jól és hatékonyan működő rendszerek megépítése csillagászati és vezérléstechnikai ismereteket követel.
A Föld napkörüli mozgása és a földtengely keringési síkhoz viszonyított dőlése (23 fok) miatt a földre érkező napsugárzás lüktető erősségű, ismétlődő folyamatot (éves és napi periodicitást) mutat. Ezt a jelenséget jelzi az évszakok változása, valamint a napi „Nap mozgása” (felkel a Nap, delel, majd lenyugszik) is.
A napkövetés vezérléstechnikája – főleg a kéttengelyű követések esetében - ezért kétféle feladat megoldását követeli. Az egyik a szezonális változásokból eredő „napmozgás” követése, a másik pedig a napi napmozgás követése (napmagasság). A két mozgás egymástól nem független.
A napkövető rendszerek a kollektorok működését is hatékonyabbá teszik, a megtérülési idő egyértelműen csökken, ez a technika ezért ott is alkalmazható.
A napkövetésnek több lehetséges megoldása létezik, ezek azonban nem egyenértékűek, a rendszereket többféle elv szerint osztályozhatjuk. A klasszikus napelem telepítési szabályok szerint a legjobb, ha a napelemet dél felé irányítjuk, (azimuth szög nulla) és az emelési szög feleljen meg a mindenkori földrajzi szélesség értékének.
Az egyik gyakori módszer a tengelyek száma és irány szerinti osztályozás.
Egytengelyű követések
Az egytengelyű követés lényege, hogy – mint nevében is foglaltatik – egy tengely mentén forgatva, mozgatva, „követi a napot”. A megoldásból adódik, hogy a „nap irányába fordulás” nem mindig pontos.
A megoldásokban a tengely (pontosabban földfelszíni vetületének) iránya É – D (észak-dél). A tengely állásszöge fix, nem változtatható, szöge többnyire a földrajzi szélesség értéke. A napelemek reggel a keleti irányba néznek, délben délre, és délután nyugatra. A mozgatás többnyire folyamatos, egy két perces igazításokkal. Olcsóbb megoldásokban szakaszos is lehet (napi háromszor, óránként, három óránként, stb.,)
Egytengelyű követő (1 axis tracker) megoldásokat mutatnak be a következő ábrák. (balról jobbra: emelt tengelyű, vízszintes K-Ny; fix emelés, horizontális forgatás függőleges forgástengely)
Az egytengelyű telepítés további gyakori formája hogy a napelemek forgástengelye nincs megemelve, a föld síkkal párhuzamos.
A kéttengelyű követések
A kéttengelyű követések a nap teljes napi, azaz az égbolton befutott pályáját lekövetik, ezért mozgató szerkezetük, és a vezérlés bonyolultabb, mint az előző esetekben. Az egyik tengely mozgása a Nap kelet-nyugat irányú mozgásának felel meg. A másik tengely a napmagasságot követi. Reggel lent a „horizonton van a nap”, és utána egyre feljebb halad. Az adott földrajzi helyen, a helyi délidőben „delel a Nap”. Ekkor a sugarak a helyi földrajzi szélességnek megfelelő szögben érik a vízszintes felületet.
A követés mechanikai mozgató szerkezetei sokféle változatban léteznek. Kéttengelyes forgatás esetében gyakori az oszlopra szerelt, saját forgatórendszerrel ellátott egyedi szerkezet, melyben 1-5 kWp nagyságú rendszer van.
A földi telepítésű rendszerekben több sort mozgatnak egyszerre, például vonórudas, vagy drótköteles mechanizmusokkal.
A napkövető rendszerek vezérlése
A nap napi „mozgása”, pontosabban a napnak a földi égbolton elfoglalt mindenkori helye (nappozíció) csillagászati összefüggések következménye. A föld minden pontjáról nézve, a nap más helyzetben látszik ezért a követést, az adott földrajzi helyhez kell igazítani.
A napkövető rendszerek vezérlését többféle módon lehetséges megoldani. A naphelyzet meghatározása alapvetően az időméréssel és az előbbiekben említett csillagászati tényezőkkel is összefügg.
Egyszerűbb esetekben (fix telepítés) csak az évszakok változását vesszük figyelembe és a téli és a nyári időszaknak megfelelően állítjuk az emelési szögeket. Ezt egy egyszerű – akár saját készítésű - állványzattal is meg tudjuk oldani, a nyereség észrevehető.
A téli időszakban a nap alacsonyabban delel (hazánkban mintegy 27 fok) ezért a napelemek állásszögét megemeljük.
A nyári időszakban a nap magasan delel (47-50 fok) ezért a napelemek állás-szögét csökkentjük 20-35 fokra. Az alábbi ábra Magyarország éves tipikus napenergia hozamát mutatja. A napos időszak Áprilistól - Szeptember végéig tart. A kevéssé napos hónapok október – március.
Mechanikusan vezérelt rendszerek
A mechanikusan vezérelt rendszerek többnyire egy mechanikus óramű alapján működnek. Ez azt jelenti, hogy az alapjel egy mechanikus óraszerkezet helyzete. Tudományos ismereteink alapján a nap állása és a mechanikus órák az esetek többségében szinkronban vannak, de ez csak részben igaz. Hosszabb időtartamok esetében akár néhány másodperces eltérések is beállhatnak. (Adott esetben az alapjel lehet egy elektronikus óra is, ez esetben elektromos-mechanikus átalakítások is szükségesek.) A helyi időnek megfelelően beállított óramű (lásd földi időzónák) képezi az alapot. Egy mechanikai áttétel (vagy egyéb eszközök) segítségével végezzük a napelem szögének emelését vagy adott irányba fordítását. A mechanikus rendszerek olcsóbbak, egyszerűbbek, de esetenként több karbantartást igényelhetnek.
Igényesebb esetben mindenképpen időkorrekciókra van szükség. Az egyik legegyszerűbb megoldás a kézzel történő állítás. Az állvány szögének állítása kézzel történik négyféle szögállásban.
(a szerző felvételei, Dunasolar, napelem gyár 2001)
Elektronikusan vezérelt rendszer
Az elektronikusan vezérelt rendszerek többnyire csillagászati adatbázisok alapján, megfelelő függvények segítségével, számításokat végeznek, a nap helyzetének megállapítására. Ha egyszer elkészült a program, akkor ez könnyen adaptálható a föld, különböző pontjaira. A számítás figyelembe veszi a Föld pontos napkörüli helyzetét, a forgási állapotát, eltéréseket, és e szerint korrekciókat is megállapít. Ez egyértelműen pontosabb rendszer, mint a mechanikus szabályozás.
Olyan sugárzásmérésre van szükségünk mely a sugárzás erősségét és irányát, valamint irányváltoztatását is mutatja. Ezt többféle mérőműszer kombinációjával lehetséges megvalósítani.
(pyrometer, pir-heliometer, differencial mérések).
Automata napkövető rendszerek
Az automata napkövető rendszerek, mint nevük is mutatja, a nap mozgását, kényszervezérléssel követik, hasonlóan a napraforgóhoz. Ez természetesen kis időkéséssel történik (max. 1-2 perc) de ennek hatása nem számottevő a mi esetünkben. Az ilyen elven alapuló napkövetések lényege egy pontos napsugárzás mérő.
A napkövetők gyakori kiviteli változata az egy oszlopra telepített 2 tengelyes követő. A képen egy ilyen nagyobb rendszer látható. Vihar esetében ezek sérülékenyebbek.
Intelligens energiamaximumot követő rendszer
A napkövető rendszerek célja, hogy a napelemet mindig a Nap irányába fordítsuk, hogy a legtöbb energiát kinyerhessük. Az intelligens energiamaximum követő rendszer esetében - gondolkodásunk - és a követő algoritmus kialakítása némi módosítást igényel. Ha jelen van a direkt napsugárzás, akkor a fényforrás azonosítása és követése nem jelent komolyabb problémát. Felhő(k) jelenléte ez esetekben egyértelműen árnyékhatást jelent. Ha azonban felhősödés erősebb – összefüggőbb – megváltozhat a helyzet. Ami korábban árnyékot jelentett, az most fényforrássá válhat.
Régebben, a hajózásban, a Nap helyzetének megállapítása nagyon fontos volt. A korai hajós nemzetek (bizonyos értelmezések szerint) egy bizonyos ásványt, a „napkövet” használták erre a célra (izlandi mészpát, kalcit). Az ásvány optikai kettőstörést mutat, (két polarizált fényű képet ad) mely alkalmas arra, hogy közepesen felhős időben „belőjük” vele a nap irányát.
Meglepőnek tűnhet, de bizonyos esetekben nem a nap irányából kapjuk a legtöbb energiát.
Ilyen eseteket jelent a felhős égbolt, erősen hegyes, dombos felszín, vízpart, tenger közelsége, extrém időjárási helyzetek. Felhős égbolt esetében a mi szempontunkból nézve már nem a Nap a követendő forrás (ez már csak másodlagos lesz), hanem az égbolt teljes felületének sugárzási intenzitása. Ott észlelünk erősebb sugárzást ahol vékonyabb a felhőzet.
Mit tehetünk ilyenkor? Nagyon egyszerű: meg kell határoznunk, honnan érkezik a legtöbb energia, és ebbe az irányba kell fordítanunk az energia elnyelő felületeket.
Tiszta felhőtlen idő esetében ez az algoritmus ugyanazt az eredményt adhatja, mint a számított elektronikus módszer, de eltérések lehetnek.
Ez a módszer azonban abszolút kedvező, mert az energiaforrás mindenkori maximum helyét keresi meg. Az ábra különféle lehetséges maximum helyzeteket mutat be.
Különleges napkövetők
Néhány napkövető rendszer további „intelligenciával” is fel van szerelve. Készen kaphatók, adott fix teljesítményben, és önmaguk állnak be a napirányba. Ha nincs fény „összecsukódnak”.
(a szerző felvétele, 2018 Ausztria)
Energia hozamok
A „tracking” rendszerek többlet energiát termelnek a fixen telepített rendszerekhez képest. A többlet akár a 60%-ot is elérheti. (elsősorban a kéttengelyű rendszerek esetében)
Az alábbiakban egy valós egytengelyű napkövető mérési sorozatának eredményeit láthatjuk. (Horvátország, 2005)
Az irodalmi hivatkozások a többlet energiahozamok megítélésében, és ennek mértékét illetően megoszlanak, de egyértelműen mind energiatöbbletről számolnak be.
Napkövetők a viharban
Vihar esetében a fixen telepített rendszerek ki vannak szolgáltatva a viszontagságoknak. A napelem gyártása során a szabványok előírásait teljesíteni kell, (IEC 61646, IEC 61215). De előfordul, hogy a vihar olyan nagy erejű melynek a napelem nem tud ellenállni (max. 2 cm jég, 100 km/h sebesség).
A tracking rendszerek esetében néha, – pláne ha korrekt előrejelzések is rendelkezésre állnak – lehetőség van bizonyos védelemre. Az oszlopon álló rendszereket kifordítják a szélből, illetve a napelem felületeket függőlegesre állítják, így kevéssé éri a jég.
Hasznos tanácsok
- A napkövető rendszerek többlethozamot eredményeznek, de költségesebbek is.
- Érdemes megjegyezni és mindig szem előtt tartani: A napelemes rendszerek esetében mindig van optimum megoldás.
- Érdemes energiát és időt fordítani arra, hogy megkeressük. Az erőfeszítések rendszerint kifizetődnek!
- A napelemes rendszerek építéséhez alapvető csillagászati ismeretek is szükségesek.
- Az oszlopra telepített, vagy mozgó elemeket tartalmazó rendszerek esetében a vihar kárt tehet, érdemes erre már a tervezéskor felkészülni.
- Bár első látásra egyszerűnek tűnnek, a kétoldalas napelemek kezelése különleges és mélyebb ismereteket igényel.
[1] A kétoldalas napelemek kezelése különleges és mélyebb ismereteket igényel. Ezzel a későbbiekben foglalkozunk majd.
[2] Tracking – angol szakkifejezés, követés
