Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!
Bevezetés
A napelem ipar a fényt „dolgozza” fel.
Ezért a napelemes rendszerekben, a fény legkisebb hiánya is, gondot okoz, és elégedetlenséget kelt a felhasználókban. Főleg Azok a szakemberek, akik hivatásszerűen foglalkoznak a napenergiával (telepítők, üzemeltetők, karbantartók) is érzik ezt az ”elégedetlenséget”, sőt többet is, mivel a „fény hiánya” – értsd a besugárzás erősségének csökkenése – nemcsak bosszankodást okoz, hanem további súlyos hibák forrás lehet. Cikkünk a napelemes rendszerekben előforduló árnyékhatásokkal foglalkozik. Részletesen feltárja az árnyék okait és okozatait, melyek rendszerműködési zavarokat és végső esetben tüzet is okozhatnak.
Kulcsszavak: napelem rendszer, árnyék, félárnyék, helyi túlmelegedés, Hot-spot, bypass dióda.
Milyen problémát okoz az árnyék a napelemes rendszerek esetében?
A napelem erőmű sok-sok napelemből áll. Az egyes napelemek kisebb egységekből, napelem cellákból állnak. Ezek a napelemek, a valóságban is, többnyire egymás mellett, egymás közelségében vannak elhelyezve. A cellák sorosan, úgynevezett „stringben (füzérben)” kapcsoltak, és a számuk általában páros. Egy napelemen belül sok napelem cellát kell sorosan kapcsolni, hogy a kívánt működési feszültséget megkapjuk. Minden napelem cella mintegy 0,5 – 0,7 V feszültséggel járul hozzá az a napelem eredő feszültségéhez.
Korábban 60 vagy 72 napelem cellát kapcsoltak sorba egy napelemen belül, mára kifejlesztettek újabb technológiákat is, például kétoldalas napelemet, illetve felezett cellákból álló napelemeket.
A soros kapcsolás akkor az ideális, ha abban minden elemének (cellájának) minden paramétere egyforma, például a napelem cellák, árama, feszültsége, teljesítménye. Ez igen ritkán teljesül, mert a gyártók nem válogatják ki ilyen szigorúan a napelem cellákat, mert akkor nem tudnának megélni. Az egész napelem füzér (string) teljesítményét, ily módon a „leggyengébb napelem láncszem” határozza meg.
Hasonlóképpen igaz ez egy napelemen belül is. Amely napelem cellának a legnagyobb az ellenállása, annak lesz a legkisebb az árama. Minden zárt áramkörben (áram hurokban) csak egyféle áram folyhat, ezért a gyenge láncszem az áramot korlátozza.
A napelem cella a legkisebb építő egység, mely ugyanolyan tulajdonságot mutat, mint a napelem. Ezért a modellezéseket napelem cellákon is elvégezhetjük, ugyanolyan eredménnyel.
A vékonyréteg napelemek, a fizikai felépítésük, és az „elemi napelem diódák” geometriai alakja, és elhelyezkedése miatt, az árnyékban több energiát szolgáltatnak, mint társaik.
Ugyanezt vehetjük észre, az újabban kialakított, úgynevezett felezett napelemek esetében is. Az „árnyék tűrőképességük” kedvezőbb.
Az áramköri technikákban a soros kapcsolások igen érzékenyek az egyes elemek „egyformaságára”. Ha valami eltérő kerül be a napelem cellák közé a sorba, a rendszer azonnal áramcsökkenéssel válaszol, és ez azonnal megjelenik az adott napelemben is.
Mivel a napelemek is sorban vannak kapcsolva, ez a „kis eltérés” további, egy nagyobb, 20-30 napelemből álló füzér (string) áramát teszi tönkre. Az árnyékolás jelenléte ezért alapvető hozamkiesési problémát jelent.
Az árnyék miatt jelentősen megváltozik a napelem jelleggörbéje.
A bypass dióda
Vannak azonban olyan módszerek, melyekkel az árnyékok káros hatásait kikerülhetjük. Egyrészt a napelem cellák (illetve napelemek) közötti összeköttetések átalakítása, illetve egy új dióda elem a „bypass dióda” beépítése a rendszerbe.
Mi az árnyék?
Az árnyék egy kevésbé megvilágított (azaz más szóval nagyobb mértékben fénymentes) tér, vagy síkrész, mely a megvilágított, át nem látszó tárgy/test mögött, a fény beesésével ellentétes oldalon keletkezik. Az oka, a fény egyenes vonalú terjedése és a tárgyak átlátszatlansága. Alakja, nagysága és helyzete függ a megvilágított test és a fényforrás alakjától, azok távolságától, és a környezettől (albedo, visszaverődés) is.
Az árnyék tulajdonságai
Árnyékot képezhetnek rendszerünkben az alábbi tárgyak:
- Áramszolgáltató hálózat oszlop, pózna, kábelek árnyékai
- Villámhárító árnyéka
- Felhő árnyéka
- Fa árnyéka (ne feledjük, a fa növekszik)
- Hó, esőcsepp, jég
- Nagy tereptárgyak (ház, hegy, stb)
- Madár-, és egyéb piszok által okozott árnyék (többnyire tartós árnyék)
Hányféle árnyék létezik?
Pontszerű fényforrás
A pontszerű fényforrások (például a Nap) esetében megjelenik a kemény és a félárnyék is.
Kiterjedt fényforrás
Bármily furcsa is, de kiterjedt lokális fényforrásnak tekinthető a felhő is, ha a Nap elé kerül. Ez esetben ugyanis a szórt fényforrássá alakul át.
Több fényforrás, illetve kiterjedt fényforrás esetén az árnyék a fényforrások pontjai által adott árnyékok szuperpozíciójával magyarázható. így a keletkező árnyék egy része sötétebb, más része világosabb lesz. Amennyiben a fényforrás nem pontszerű, az árnyék nem egyenletes: magjába kevesebb fény jut (kisebb a kemény árnyék), míg máshová a fényforrás felületének egy részéről érkeznek fénysugarak.
Teljesen sötét „fekete” (azaz tejesen fénymentes) árnyék a valóságban szinte sosem fordul elő a szórt fény jelenléte miatt (GDI sugárzás, mely mindig jelen van a természetben). Ilyen eset csak akkor fordulhat elő, ha a tárgy egy másik tárgyhoz annyira szorosan illeszkedik, hogy oda fény nem juthat, vagy teljesen zárt térben.
A napenergia hasznosító eszközök esetében (napelem, napkollektor, és a CHP eszközök) egyértelmű, hogy az árnyék – mivel sugárzás intenzitását csökkenti – káros hatással van.
Az alábbi árnyékhatások fordulnak elő:
- Vonal - drótszerű
- Rúd - szerű
- Folt kisméretű
- Folt nagyméretű
- Cella kis részét takarja
- Cellát teljesen takar
- Több cellára kiterjedő
- Teljes sorra kiterjedő
- Több sorra kiterjedő
- Teljes modulra kiterjedő
- Több modulra kiterjedő
- Tömbre kiterjedő
- Erőműre kiterjedő
A valós telepítések esetében jelentkező árnyékok tipizált modelljét mutatja a mellékelt ábra. Felfogható egy tetőre szerelt rendszernek, ahol a kémény az árnyék okozója, de szerepelhet oly modellezésben is ahol egy földi állványrendszerre telepített napelem erőmű részleges árnyékhatást szenved egy, a közelében álló kéménytől. Vagy adott esetben lehet egy villámhárító által okozott árnyék. Az így keletkező árnyék részleges és változó. A következő 10. ábra azt mutatja be, hogy van lehetőség az árnyék káros hatásának mérsékelésének, ha figyelembe vesszük a napelemen belül a stringek elrendezését.
Részleges árnyékolás
- A napelemek árnyékolása esetében szinte minden esetben a napelem nonlineáris belső (Rsh) ellenállása jelenti az egyik alapvető problémát!
- Több elem kapcsolása esetén bonyolultabb problémát jelent az árnyék
- Az árnyékolt cellák kevesebb (vagy nulla) áramot termelnek, de el kell viselniük a többi elem által keltett nagyobb áramot!
- Az árnyékolt cellák így forrás helyett terheléssé válnak.
- Ha a rendszer nem védett eléggé az árnyékolt helyek „hot-spot” forrássá válnak és a rendszer irreverzibilisen károsodik.
- Az épületintegrációs megoldásoknál nehéz elkerülni a részleges árnyékot!
Árnyékhatás ERŐMŰVEK esetében
Különös problémát jelent az árnyék abban az esetekben, ha az erőmű legalább egyik geometriai mérete a szokásosnál nagyobb, eléri a több 100 métert, vagy nagyobb. Ez helyzet gyakorta a 10-100 MWp-os vagy több 100 megawattos naperőművek esetében.
Az árnyékhatások ismerete nagyobb erőművek esetében is fontos, mondhatni súlyponti kérdés, mert a megtérüléseket lényegesen befolyásolhatja.
A 12. ábra, egy nagyobb kiterjedésű (LSI SPP, Large Scale Integration) napelem erőműben kialakuló árnyékhatás időbeli lefolyásának több időpillanatát mutatja be. A felhő „jobb oldalról” érkezik, de a példában az erőmű teljes felületét nem tudja lefedni, ezért az általa okozott villamos „sokk” hatás egy adott haladási sebességgel végig gyűrűzik a rendszeren.
A bypass dióda szerepe a napelemes rendszerek esetében
Összefoglalás
A hagyományos rendszerek esetében a részleges árnyékolás jobban csökkenti az energiát, mint azt várnánk! Kezdő tervezők esetében ez alaposabb megfontolást igényel.
Az árnyék jelenség és a bypass diódás védekezés működésének megértése igen fontos!
Fizikai rendszerekkel nehéz a jelenséget modellezni, mert nagy területre egyenletesen és tartósan kiterjedő árnyékok a természetben nem fordulnak elő. Ez esetben a számítógépes modellezés jó segítséget nyújt.
A sorosan kapcsolt napelemek esetében a „fordított polaritású megkerülő dióda” (by-pass diode) egy lehetséges megoldás jelenthet a teljesítmény miatti csökkenés ellensúlyozására.
Ebben az esetben azonban, - a többszörös lokális optimum munka pontok megjelenése miatt, - sokkal komplexebb MPPT algoritmusokat kell alkalmazni, ami nem előny.
Bizonyítható hogy akkor biztosíthatjuk a maximálisan elérhető DC teljesítményt, ha kötési kombinációkat megváltoztatjuk. A részlegesen árnyékolt helyzetben a párhuzamos kapcsolás előnyei számottevőek.
Mégpedig úgy, hogy alkalmanként a hasonló állapotban lévő cellákat (napelemeket) kapcsoljuk össze. Ez bonyolultabb, DC üzemű, változtatható kombinációjú kapcsolásokat igényel.
A párhuzamos kapcsolás miatt alacsony feszültségen tartott rendszernél a megnövekedett áramot természetesen DC- DC konverterekkel kezelni kell.
Különös problémát jelent az árnyék abban az esetekben, ha az erőmű legalább egyik geometriai mérete a szokásosnál nagyobb, eléri a több 100 métert, vagy nagyobb. Ez helyzet gyakorta a 10-100 MWp-os vagy több 100 megawattos naperőművek esetében.
Összefoglalva tehát, az árnyék esetében egy többszörös, némely esetben ellentmondó hatással állunk szemben. Az árnyék van, amikor nagyon hasznos, és van, amikor káros:
- Az árnyék sokszor a hőmérsékletterhelést csökkenti (kedvező hatás, melyet sok esetben kihasználhatunk)
- Az árnyék a napenergia hasznosító rendszerek esetében energiahozam csökkenést okoz (kedvezőtlen hatás a besugárzás csökkenése miatt)
- A napelemek teljesítményének negatív hőmérsékleti együtthatója miatt (Tk[P]) az alacsonyabb hőmérséklet hozamnövekedést jelent, de csak különleges esetben.
- A napelemek felületére vetülő, a felületet csak részleges takaró mozgó árnyék, igen zavaró és jelentős villamos aszimmetriát okoz, mely a napelem tönkremeneteléhez vezethet.
- Az árnyékhatás szempontjából jelentős eltérés mutatkozik a piacon található domináns technológiák (monokristályos, polikristályos, amorf szilícium) és struktúrák között, melyet a tervezés, telepítés során ismerni kell és célszerű figyelembe venni.
Hasznos, tanácsok
- Az emberek (tervezők) nem is gondolják, hogy az árnyékolásból származó energiaveszteség általában nagyobb, mint amit az árnyék méretéből gondolnának.
- Kezdő tervezők esetében az árnyék kezelése alaposabb megfontolást igényel.
- Az árnyék jelenség és a bypass diódás védekezés működésének megértése igen fontos!
- A felezett cellás napelemek az árnyékhatás szempontjából kedvezően viselkednek.
