Most már értem a napenergiát VII. - A napelemes rendszer főbb részei és alapvető összefüggések

Egy összegző, rendszerező áttekintéssel folytatjuk sorozatunkat. 

A napelemes energiaátalakítási folyamat különféle egységeit, és eszközeit illetően, többféle vélemény ismert, hogy melyek a legfontosabb vagy legkritikusabb elemek. 

Mivel a teljes átalakítási folyamat egyetlen rendszer, valójában egyetlen soros lánc, ezért energetikai szempontból bármely elem meghibásodása meghiúsíthatja az átalakítási folyamatot. Ezért mindig célszerű a teljes átalakítási láncot áttekinteni.

A napelemes rendszereket sokféleképpen lehet vizsgálni, áttekinteni vagy elemezni. Pénzügyi, környezetvédelmi, energetikai vagy társadalmi szempontok szerint tekintve, más-más képet kapunk az áttekintés súlypontja tükrében. Ezek a tükörképek lényegesen eltérhetnek egymástól, olyannyira, hogy némely esetben egymásnak ellentmondó következtetések is felszínre kerülhetnek. Mint oly sok esetben, most is javasolt a legkomplexebb távlati cél szem előtt tartásával egy kompromisszumos megoldást keresni.

Mint említettük, elsősorban műszaki jellegű rendszertechnikai áttekintést teszünk, kiemelve néhány főbb elemet, de tulajdonképpen a lánc minden elemét – ha csak vázlatosan is – de érinteni fogjuk.

Első rátekintésre az alábbi főbb elemeket választhatjuk ki:

• Napelem
• Inverter
• Kábel  
• Csatlakozók  

/Megjegyzés: A gyakorlatban mintegy 10-15 féle rendszertípust ismerünk, természetesen ezek felépítésben és eszközállományban is különböznek./

A lényeg, és ami minden rendszerben szinte 100 százalékban közös, hogy az átalakítási láncban lévő elemek soros kapcsolatban vannak. A napelemes rendszer egységeit egymáshoz képest méretezni kell. Ezért, egy adott rendszer egységei – például bővítés esetében -  általában nem cserélhetők tetszés szerint. A változtatást is meg kell tervezni.

Fontos? – Nem fontos?

Ha a teljes energiaátalakítási folyamatot tekintjük, akkor bizony a rendszerelemeink, sőt a kiemelt fontosságú rendszerelemek száma - ennél a 4 kiemelt fő elemnél - lényegesen több. 

Sajnos sok - köztük komolyabb szakértelemmel bíró - kollegánk ezt nem így gondolja, nem vesznek tudomást ezekről.

Lássuk be ismét a nyilvánvaló tényt, hogy a megtérülési mutatók alapja a rendszer energiahozama. 

Ebben a teljes energiaátalakítási folyamat minden tárgyi elemének szerepe van, és –talán egyesek számára meglepő – de számos olyan rendszereleme is van, mely úgymond „nem látható”.

Nézzük akkor a teljes listánkat. Ez az áttekintésünk még egy későbbi alkalommal is hasznos lehet, amikor majd a napelemes rendszerek hibáit kezdjük el tárgyalni.

A napelemes energiaátalakítási rendszerfolyamat tárgyi eszközei:

• Energiaforrás(ok), napelem (genset[1], szélgenerátor, vízzel működő generátorok, stb.,)
• Inverter (ek), transzformátor
• Töltésszabályozó
• Akkumulátorok
• Fogyasztók
• Állvány és rögzítő elemek
• Kábel
• Csatlakozók
• Távadatfeldolgozás (többféle) 
• Kiegészítők
  • Védelmi rendszerek
  • Érintésvédelem
  • Földelés
  • Villám- és túlfeszültség-védelem
  • vagyonvédelem

Nem tárgyi elemek:

• Elhelyezés, pozíció
• Éghajlati körülmények (napsütés, napfénytartam, intenzitás)
• Időjárás
• Klímaövezet, helyi klíma
• Jogszabályi környezet
• Karbantartás
• Hálózattal való kapcsolat
• Helyi villamosenergia befogadó rendszerek 

A továbbiakban a fent felsorolt tételeket tekintjük át tömören.

Napelem

A napelem az egyik legfontosabb tényező, a Napból érkező energiát felfogja és átalakítja. Jelentős átalakítási vesztesége van. „A rendszerünk energiaforrása”. Többféle technológiával készülhet, alapvetően sík formájú, szilárdtest alapegységekből (elemi cellákból) felépülő, félvezető alapú dióda. Működése hőmérsékletfüggő és a környezeti hatásokra is érzékeny, hermetikusan tokozni kell. Lassan öregszik (évente 0,7-1%), és törékeny, ezért óvatosan kell kezelni, mert rejtett töréseket idézhetünk elő benne akaratlanul is. Kezelése villamosipari szakismereteket igényel. Számos vizsgálat ismeretes, mellyel megállapíthatjuk, hogy a napelem „egészséges-e vagy sem”, de a felhasználók többsége ezeket nem alkalmazza. Összetettsége miatt elsőszámú hibaforrás is egyben. Egyszerű kinézete ellenére alkalmazása mély szakismeretet és gyakorlatot igényel.
Alkotóelemei újrahasznosíthatók. 

Figyelem! A napelemek gyári adatlapjai többnyire (gyakran!) nem a valóságot tükrözik!

Inverter

A második fontos elem, az inverter (villamosenergia átalakító egység). A napelemből érkező egyenáramú energiát (E_el_DC) a további alkalmazhatóság érdekében át kell alakítani váltakozó, AC villamosenergiává. Az inverter komplex elektromos és elektronikai villamos egység, sok esetben többféle funkciót is ellát. Lakossági, háztartási feladatokra léteznek komplex, „energia-logisztikai” feladatokat is ellátó inverterek. Bizonyos esetekben távvezérelhető (hálózatra kapcsolt egységek). Érzékeny félvezető elemekből áll (IGBT[2],) ezért bemeneti és kimeneti oldalán védelmeket kell alkalmazni (AC, DC oldali védelmek). A kisebb teljesítményű inverterek a „gyengeáramú” kategóriákba sorolhatók, de a nagy ipari teljesítményű inverterek (több száz kW-osak) egyértelműen erősáramú berendezések. Transzformátoros és transzformátor nélküli változatok (TL) léteznek. Kezelésük, karbantartásuk komolyabb villamosipari szakismereteket, szakvizsgát igényel. Egy nagyobb rendszer esetében, üzemszerűen komoly áramerősségek is előfordulnak (100, sőt 1000 Amper erősségű áramok) ezek kezelése speciális ismereteket igényel. A hibaáramok még ennél is nagyobbak lehetnek. A nagy áramok balesetveszélyt, tűzveszélyt, életveszélyt jelentenek, ezért különösen fontos a védelmi előírások betartása[3]. Az invertert védett helyen, lehetőleg legközelebb a napelemhez, kell elhelyezni.

Töltésvezérlő

A töltésvezérlő egységek az akkumulátoros rendszerekben fordulnak elő. Nevük is jelzi feladatukat: a töltéseket vezérelt, szabályozott módon juttatják az akkumulátor telepbe. A szabályozások túlfeszültség-védelmet és mélykisütés-védelmet jelentenek. Általában (főleg kisebb rendszerekben) különálló egység, de léteznek olyan inverterek, melyek töltésvezérlőt is tartalmaznak. Jellemző paraméterük a töltési feszültség és töltési áram. A töltésvezérlő a napelemek és az akkumulátor között található. A rendszerbe való bekötési és szétszedési sorrendje adott, hibás sorrend esetében tönkremegy.

Transzformátor

A transzformátorok összetett villamos eszközök, melyek az elektromágneses indukció elvén működnek. Egy napelemes rendszerben több helyen is találhatunk transzformátorokat. A transzformátorok általában egy adott villamos jel, feszültség/áram arányainak változtatására szolgálnak (illesztések, illetve hálózati visszatáplálás), vagy galvanikus leválasztásra alkalmazzák őket (például az inverterekben).

A nagy rendszerekben a hálózati visszacsatoló transzformátorok igen nagy méretűek lehetnek, többnyire külön zárható, védett, saját házban, „transzformátor házban” vannak elhelyezve. A transzformátor alkalmazása mindig energiaveszteséggel jár, melyet a tervezésnél figyelembe kell venni.

Akkumulátor

Az akkumulátor a villamosenergia rövid (néhány napos), vagy közepes idejű (néhány hónapos) tárolására szolgáló eszköz. Sokféle akkumulátor létezik, a paraméterek jelentősen szórnak. Az akkumulátor elemi egységekből, cellákból (1,5 -2 V_dc feszültség szintek) épül fel. Egy 12 V-os ólom – savas akkumulátor 6 db elemi cellát tartalmaz. Az akkumulátor erősen veszélyes anyag, kidobni nem szabad! A napelemes rendszerek különleges töltési folyamatokkal jellemezhetők (töltés-kisütés gyors váltakozása), ezért az akkumulátor töltöttségi szintje „lebegő”. Ilyen rendszerekben különleges „solar” akkumulátorokat alkalmazunk, melyek alkalmasak „csepptöltés – lebegő töltés” üzemmódban működni.

Az akkumulátor élettartama hőmérséklet és kisütési mélység függő. 

Léteznek úgynevezett „gondozásmentes” akkumulátorok, de a műszaki életben minden eszköz „meghálálja” a gondozást, vagy hosszabb élettartamot mutat vagy működése biztonságosabb.

Kábel 

A villamos rendszerek és így a napelemes rendszerek fontos elemei a villamos összeköttetések, más néven: kábel, vezeték, összekötés. A kábeleket, a továbbított villamos teljesítménynek megfelelően méretezni kell. A kábelek általában csatlakozó nélkül kerülnek beépítésre (nem bontható). 

A rendszerek esetében az energia (fázistól függően), a védelmi feladatok (földelés, EPH, villám és túlfeszültség védelmek) és az esetleges információt továbbító vezetékek (vezérlések adatforgalmi vezetékei) elkülönítve találhatók. Ezért egy jól méretezett napelemes rendszert egy másik, kellően méretezett és megépített rendszer, a „kábel – vezeték” rendszer szolgálja ki. 

A napelemeket bontható, gyorscsatlakozós, vízmentes, polaritásfüggő (papa-mama formátum) vezetékekkel tudjuk bekötni a rendszerünkbe. Ezek a napelemekkel együtt vannak legyártva, ezt nem célszerű megváltoztatni (JB, junction-box és a két kábel). Fontos, hogy ezek az EREDETI GYÁRTÓTÓL származzanak, ne legyen másolat. (Ha el akarják rejteni az eredetet, akkor úgy szokták mondani, hogy „kompatibilis”!)

A rendszer kábelezését (és ez tulajdonképpen mindegyik típusra vonatkozik) úgy kell kialakítanunk, hogy a lehető legrövidebb kábel-nyomvonalak alakuljanak ki. Ez egyrészt anyagtakarékosságot, másrészt biztonságot jelent. 

A nagyobb napelemes rendszerek esetében előfordul, hogy több száz, ezer, vagy ennél is több napelemet kell összekötnünk, először kisebb soros egységekben (7-14-es egységek), majd egyre nagyobb és nagyobb egységekben (string, field, array, power plant). A kábelezéseket az egyre növekvő áramerősség szerint kell méretezni. A kivitelezők sok esetben a kábel és a csatlakozók minőségén próbálnak „spórolni” de ez a lehető legrosszabb stratégia. Egy komolyabb naperőműben több ezer méter kábel, vezeték és ugyancsak több ezer csatlakozó van. Ha ezek között akár csak néhány hibás is van (vagy olyanná válik) a teljesítmény hamar leromlik. A hibás darabokat megkeresni embert próbáló feladat.

Végezetül ejtsünk néhány szót a nem tárgyi rendszerelemekről[4] is. A fontosabbak címszavanként megemlítve:

• Helyszín, hely, pozíciók megválasztása
• Terület, terepi viszonyok
• Klímabesorolás (Geiger-Köppen) és helyi klíma
• Besugárzási viszonyok az adott területen (valós adatok!)
• Jogszabályi környezet, KÁT, visszavételi tarifák,
• Hálózatra csatolási szerződés (!)
• A jogszabályok időbeni stabilitása
• Hozammonitorozás
• Karbantartások

A nem tárgyi rendszerelemeket a legjobban egy olyan szakszerű, pontos tervezéssel tudjuk biztosítani, mely gyakorlott tervező tollából származik. Természetesen „tartozik hozzá” egy gyakorlott, villamos szakértelemmel rendelkező kivitelező is, aki betartja a terveket.

Hasznos tanácsok:

• A napelemes rendszer minden építőeleme a villamosipari szakma kategóriájába esik.
• Ilyen rendszerek építéséhez villamos szakismeret (vizsga) szükséges.
• A teljes átalakítási folyamat egyetlen rendszer, valójában egy soros lánc
• Felülvizsgálatok esetében haladjunk végig a teljes láncon!
• A napelemes rendszer elemei újrahasznosíthatók!
• „Gondozásmentes” műszaki rendszerek nem léteznek! (ez hamis illúzió)
• Egy adott napelemes rendszer egységei – például bővítés esetében - általában nem cserélhetők tetszés szerint.
• A „gondozásmentes” akkumulátor is „meghálálja” a gondozást, vagy hosszabb élettartamot mutat, vagy működése biztonságosabb.
• Soha ne spóroljunk a csatlakozókon és kábelen, ez a hiba hamar megbosszulja magát!
• Ne használjunk ”kompatibilis” megoldásokat – használjunk mindig eredeti anyagokat! – Megtérül!
   

[1] Genset = generátor készlet. Multivalens energiaellátó rendszerek esetében több forrás is van a rendszerben.
[2]  IGBT, INSULATED-GATE BIPOLAR TRANSISTOR   http://moodle.autolab.uni-pannon.hu/Mecha_tananyag/korszeru_teljesitmeny_elektronika/ch04.html
[3] Villámvédelem, tűzvédelem, létesítési szabványok, földelés, stb., 
[4] Nem tárgyi rendszer elem, az a „dolog” melynek közép vagy hosszútávon jelentős hatása van az energiahozamokra.