Most már értem a napenergiát XXV. - A napenergia hasznosítás veszteségei

Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!

Bevezetés

A Napból mintegy 1366 W/m2 teljesítmény fluxus éri folyamatosan a Földünket. Ez a napenergia potenciál a legnagyobb – sajnos egyelőre csak elméleti jellegű – forrás számunkra. A földi légkörön való áthaladás már jelentős veszteséget jelent, mintegy 49%-ot. A napelemes rendszerek építése és tartós működtetése során, során lépten nyomon találkozhatunk további veszteségekkel, melyeknek különféle okai vannak. Ennek következménye, hogy az elméletileg 100%-nak tekintett bejövő energiából, nem kapunk vissza csak 75-80%-ot. A veszteségek egy része „természetes” módon képződik, ide tartoznak az extrém időjárás által okozott károk, más részét a gyártásban, telepítés során mi magunk okozzuk. Cikkünk áttekinti a veszteségek főbb forrásait, példákkal illusztrálva.

Energia veszteségek a légkörben

A föld legkör külső határához érkező sugárzás kétféle hatást szenved el. Egy része visszaverődik és elvész az űrben, más része megtörik és behatol a légkörbe és itt további változásokat szenved el.

1. Ábra - A Föld légkörének külső rétegéhez érkező sugárzás behatolása.

2. Ábra - A földre érkező sugárzás megoszlása [petawatt, 1 PW =1,0 × 1015 watt]

A sugárzásnak, mely légkörbe hatolt, csak mintegy fele jut le a felszínre, ám mennyiségében még így is meghatározó a földi élet szempontjából. Természetesem az sem mindegy milyen úton jut le a felszínre, hiszen a légkörben lévő „szennyező anyagok” (vízpára, felhő gázok, porszemek) lényegesen módosíthatják azt az energiamennyiséget, mely végül a felszínre jut.
Airmass 1,5 (AM1,5)

3. Ábra a), b) - A légkörben megtett út „szabványosítása”. AM0, AM1, AM1,5

A nap látszólagos „mozgása miatt” a fény különféle hosszúságú utakat tesz meg a légkörben. A napelem ipar fejlődését biztosító szabványosítás miatt, szükség volt egy egységes standard jelölésre az egyértelműség miatt. A mérések perem feltételeinél és az adatközlés során meg kell adni a besugárzási körülményeket. Az AM1,5 érték azt jelenti, hogy a besugárzást a Nadírhoz (a fej feletti pont az égbolton) képest 48,2 fok szög alatt kell értelmezni, és az ehhez tartozó sugárzási paraméterekkel kell számolni. Szokásos használni még egy megkülönböztetést a diffúz (D) és globál (G= Direct és Diffúz) értékekre.
AM1,5 = 1/cos 48,2

4. Ábra - Az energiasugárzás „kalandos útja” a légkörben.

Ha besugárzás hullámhossz szerinti eloszlását (spektrális eloszlás) nézzük, akkor azt lehet kijelenteni, hogy légkör tetejére érkező sugárzás és a tengerszinten mért sugárzás lényegesen eltérnek egymástól. Jelentős „beszívódások” észlelhetők, melyek többnyire és elsősorban a légkörben lévő vízgőztől (pára, felhő) származnak. Az üvegház hatású gázok (CO2, ammónia, freon származékok, stb.,) is tovább fokozzák az elnyelődést.

5. Ábra - A besugárzás spektrális eloszlása AM0, valamint AM1,5 esetében globál és direkt sugárzás esetében.

6. Ábra - A hasznosítható energia mennyiséget arányosan a pirossal fedett terület mutatja.

A jelenséget legszemléletesebben talán a 7. Ábra mutatja.

7. Ábra - Az „AM1,5 best case” grafikon az elérhető legjobb esetet mutatja. Míg az alatta lévő „AM2.0 average case” az átlagosan elérhető esetet mutatja. A legalsó görbe az AM5.0 esetet ábrázolja (igen alacsony napmagasság, reggeli és alkony zónás esetek.)

Összegezve és számszerűsítve az eddigieket a 8. Ábra szemléletesen mutatja a veszteségek helyét, okát és százalékos (a bejövő sugárzás 100%) tájékoztató adattal ábrázolja a nagyságukat.

8. Ábra - A légköri veszteségek összefoglaló ábrázolása. /tájékoztató jellegű/.

A napelemek felületi takarásából eredő veszteségek

Ebben a részben áttekintjük a további veszteségforrásokat. Látszólag különféle folyamatok során keletkeznek, ám egyben közösek. Megakadályozzák a fény bejutását a napelem legfelső rétegébe. További – nem kevésbé káros – jelenségek is fellépnek, úgymint „HOT spot”, lokális felmelegedés, és egyéb általuk indukált degradációk. (A terepi tapasztalat azt mutatja, hogy ahol egy hibajelenség előfordul, ott többnyire, idővel további hibák is felléphetnek. „a baj csőstül jön”. )

Ilyen veszteségforrások: árnyék, homokosodás, havazás, eső/köd/pára, alga, moha, növények.

Árnyék

Az árnyék egy átlátszatlan (vagy részben átlátszó) tárgy (növény) vetülete a napelem felszínén. Fix helyzetű és állandó alakú tárgyak esetében (építmények), a nap látszólagos vonulása az égbolton bizonyos esetekben árnyékot vet a napelemekre. Az árnyékolt részeken (akár egy cella fele!) napelem „blokkol” ellenállása megváltozik, hot-spot keletkezik. Nem várt árnyékok megjelenése is „várható” (növények növekvő fák, stb.,)
Ennek megakadályozására alkalmazzák a napelem belső stringjeiben (többnyire 3 van) a by-pass diódát. A dióda árnyék esetében automatikusan „kinyit és a működő cellák által termelt többlet áramot” elkerülő úton (by-pass) elvezeti. Ezzel csökkenti a tűzesetek veszélyét.

Az árnyékok, jellegük szerint több csoportba sorolhatók. (Ennek taglalása azonban meghaladja cikkünk lehetőségeit.) A legrosszabb a félárnyék esete.

Az árnyék jelentősen megváltoztatja a rendszer működési jelleggörbéit és gondot okoz az invertereknél is a MPP megtalálásában (kettős maximumok lépnek fel).

A napfogyatkozás különleges, nagy területre, országrészekre kiterjedő árnyék, mely egy nagyobb terület (több ország összekapcsolt villamos energiaellátó rendszerei, lásd az európai ENTSO) rendszerében ellátási gondot okoz.

10. Ábra - Egy útszéli villanypózna árnyéka a napelem rendszeren. Figyeljük meg, hogy az árnyék jelentős, mert egyszerre több külső stringet is érinthet!

11. Ábra - A gyorsan növő növények (nem várt?) árnyékot jelentenek. Ez a rendszer valószínűleg működésképtelen!

**12. Ábra - „Egy fecske is csinál …. valamit”?**

Homokolódás

Ne higgyük, hogy csak a sivatagokban okoz nagy gondot a homokolódás jelensége. Szálló finom por szinte mindig, mindenütt előfordul a természetben. Van olyan eset, amikor több 100 km-ről hozza hozzánk a szél, ez azonban ritka.
A finom homok fátyol, meglepően erősen rátapad a felületre. Megszáradás után a további eső csak ritkán képes lemosni, ezért rövid idő alatt (kevesebb, mint egy év) felhalmozódhat. Kezdetben csak a „megvilágítás” erősségére van hatással, de a későbbiekben teljes működésképtelenséget is okozhat.

A homokolódást CSAK finom (nem erőszakos!) dörzsöléssel, vizes mosással lehet eltávolítani.

13. Ábra - A por lerakódása a keretek széleinél és a sarkokon kezdődik, mert a víz nem tud szabadon lecsorogni.

14. Ábra - Chile, az Atacama sivatagban telepített napelem homok/por lerakódással. A por szinte „rásült” a felületre. SEM felvétel

15. Ábra - Egy nagyobb napelemes erőmű távlati képe. Figyeljük meg az azonos típusú és helyzetű lerakódási mintázatot.

Tilos a napelemet tűző napsütésben hideg vízzel tisztítani!

Havazás

A havazás egyrészt kedvező mert a, hőmérséklet csökkenése növeli a teljesítményt, másrészt kedvezőtlen is az árnyékhatás miatt. Ez az állapot mindaddig fennmarad, amíg az utolsó hó is lekerül a felületről. A napelemek telepítési szögétől és az üvegfelülettől függően alakul ki tapadás és/vagy részleges tapadás az üvegfelületen. Azon területeken ahol jelentős/rendszeres havazás várható érdemes a telepítési magasságot megnövelni. Ha ezt nem tesszük, akkor hosszabb ideig csökken az energia hozam. Néha azonban ez sem elegendő (lásd a 16. és 17. Ábrát.)

17. Ábra - A napelemek telepítési szögétől függően különféle erősséggel tapad meg a hó.

18. Ábra - A Dunasolar Rt.(1997-2003) kísérleti telepe. Olyan sok hó esett, hogy a 40 cm-re megemelt telepítés sem volt elegendő, ahhoz, hogy a hó lecsússzon.

19. Ábra - Közép Ausztria. Helytelen telepítés. /2006, a szerző felvételei, egy év múlva rájöttek, hogy valami nem jó/

Eső (köd, pára)

A napelemek elvileg jól bírják a nedvességet, hiszen kültérre, szélsőséges időjárási körülményekre tervezett eszközök. Ámde van egy érdekes helyzet, mely különös figyelmet igényel. Az eső után többnyire kisüt a nap és a napelem üvegfelületén cseppek maradnak, melyek nagyítóként működnek. A „vízlencse” fókuszáló hatása eredményeképpen az alatta lévő cellát többszörös napintenzitással sugározzák be. Ennek hot-spot lehet a következménye.

20. Ábra - Vízcsepp nem nedvesítő felületen (bal oldal) és nedvesítő felületen.

Moha, zuzmó

A napelemen megmaradó homok kiváló táptalajt biztosít bizonyos, nem magas igényű növényeknek, mint az algák, moha és zuzmó. Ezek „védett helyen” főleg a sarkokban kezdenek megtelepedni. A zuzmó rendkívül igénytelen /algával táplálkozik/ ezért homok nélkül is életképes.

21 a) Ábra - Zuzmó megtelepedése a napelem felületen.

21. b) Ábra - Zuzmó (lichen) megtelepedése a napelemen

Hőmérsékleti együtthatók (Tk)

A hőmérsékleti együtthatót a villamosságban az áramvezető képességgel kapcsolatban értelmezzük. A vezetőanyagok egy bizonyos csoportjában a hőmérséklet növekedésével a villamos ellenállás értéke növekszik. Ezek az anyagok hideg állapotban jó vezetőképességgel rendelkeznek, ezért hidegvezetőknek nevezzük őket. A pozitív hőmérsékleti együtthatójú (+Tk) anyagok ellenállása tehát a hőmérséklet növekedésével együtt növekszik (pozitív termikus koefficiens: PTK, Positive Temperature Coefficient: PTC).

A vezetőanyagok másik csoportjában a hőmérséklet növekedésével az ellenállásérték csökken. Ezek az anyagok meleg állapotban jobban vezetnek, ezért melegvezetőknek nevezzük őket. Eme anyagok tehát negatív hőmérsékleti együtthatójúak (negatív termikus együttható/koefficiens: NTK, Negative Temperature Coefficient: NTC).

22. Ábra - A hőmérséklet hatása a napelemek energiahozamára. Az Isc, Imp áramok kissé nőnek. A Voc, Vmp feszültségek jelentősen csökkennek.

A napelemek minden jelentősebb paraméter függ a hőmérséklettől, ráadásul számunkra kedvezőtlen módon.

A Voc és Isc, ugyan a hőmérséklet hatására ellentétesen változnak, de a feszültség hőmérséklet függése jelentősen nagyobb (-) mint az áram változása (+), és ebből következően a teljesítmény (energia) hőmérsékleti együtthatója P(Tk) negatív. Ez a gyakorlat nyelvére lefordítva azt jelenti, hogy melegebb napos időben csökken a teljesítmény. Hideg napos időben (tiszta égbolt télen) ez fordítva van. A teljesítmény növekszik.

Így abszolút nem mindegy mekkora a napelem belső, azaz cella hőmérséklete. A napelem mindig melegebb, mint a környezeti hőmérséklet. Ezért ha az adatlapon azt a környezeti hőmérsékletet adják meg amin a mérés történt, ez műszaki szempontból „korrektnek” tekinthető, ámde a napelem „tudja a fizikát és nem dől be ilyen trükköknek”.

A gyártó cégek többsége STC feltételekkel adja meg az adatlap értékeit (ez kedvezőbb számára!) mintha NOCT feltételeket használna.Az energiahozamok tervezéséhezinkább az NOCT javasolt.

23. Ábra - Különféle technológiákhoz tartozó Tk értékek táblázatosan.

STC – PTC – NOCT – NMOT

A napelem iparban, a hőmérsékleti feltételek megadására, kezelésére többféle értelmezés is kialakult. A legkorábbi ilyen, az STC (standard condition) megjelenéséhez köthető.

STC / IEC 61538 szerint

Napelem / Cella hőmérséklet: 25 °C
besugárzás/ Irradiance: 1000 W/m²
légtömeg /Air mass: 1,5
Megjegyzés: megadott hőmérséklet referenciája a cella hőmérséklet, a napelemen belül, és nem a környzeti levegő hőmérséklete! A napelemek akár 20-30 C fokkal melegebbek is lehetnek mint a környzeti levegő, és a nap sem süt mindig „1000-el”. Az STC specifikáció ezért kissé elméletinek tűnhet.
Figyeljük meg, hogy a feszültség (Voc, VMP) hőmérsékleti együtthatója mintegy 10x akkora mint az áram együtthatója!

24. Ábra - A napelemek áram, feszültség, teljesítmény paramétereinek hőmérsékleti együtthatói, „tól-ig sávos” megadással, különféle gyártási technológiák esetében.

NOCT Névleges működési hőmérséklet

A valós körülmények azonban mindig mások mint a laborban. Nem süt 1000-el a nap, kissé fúj a szél…

Levegő (értsd: környezeti) hőmérséklet: 20 °C
Besugárzás /Irradiance: 800 W/m²
Légtömeg mutatószám /Air mass:1,5
Szélsebesség / Wind speed: 1 m/s (0,25 m/s -től 1,75 m/s - ig)
Megjegyzés: az NOCT peremfeltétele a környezeti levegő hőmérséklete (ambient air temperature, nem pedig a cella hőmérséklete mint STC esetében)
NOCT értelmezése egy nyitott hurkú napelemre vonatkozik (open circuit).

NMOT

- besugárzás /irradiance (sunlight) of 800 W/m2
- a napelem felületi hőmérséklete/ Panel surface temperature of 45 (+/- 3) °C
- az NMOT esetében nagyobb a hűtő hatású szélsebesség, 1 m/s …. 8 m/s között.
- levegő hőmérséklete /Air temperature of 20 °C

MIRE JÓ AZ NOCT?

Például arra, hogy azonos STC értékű napelemeket összehasonlítsunk

25. Ábra - Összesítő táblázat a peremfeltételekről.

) 20 C° fokos levegő hőmérséklet esetében
) Megjegyzés: terepi viszonyok között a hőmérséklet pontos mérése nehéz. A napelem cellák a napsütés hatására 20-30 fokkal melegebbek lehetnek mint a környezet.
) NMOT a szélsebességek szélesebb tartományát fedi le, 1 m/s-tól 8 m/s-ig.
) Szélsebesség NOCT 0.25 m/s-től 1.75 m/s-ig.

** a NOCT a környezeti levegő hőmérsékletét használja, nem pedig a cellahőmérsékletet, mint az STC esetében.

26. Ábra - az STC és NMOT mérési értékek összehasonlítása.

Érdekességképpen nézzünk meg egy tanulságos mérési eredményt.

A 220 WSTC napelem (STC) csak 159 WNOCT

27. Ábra - STC és NMOT szerinti Wp (PMP) értékek különféle napelemekre.

Madarak, kisállatok

Sok esetben a körülöttünk élő élőlények is előszeretettel használják az általunk telepített eszközöket, fészket, védelmet keresve.

Az inverter/ház közelében meleg van,
napelemek és a tető közötti térben jól elfér a fészek,
ínséges időben még a kábel műanyag bevonata is „jól esik” (mókus, menyét, hangya)
a napelemre jól esik leszállni, megpihenni, közben a dolgukat is elvégzik (madarak)

28. Ábra - A mókus/nyest/menyét/hangyák szeretik a műanyagot rágcsálni.

29. Ábra - Madarak vizsgálata által „jóváhagyott” napelem telepek.

Galambháló - A műemlékek esetében már találkozhattunk a galambok káros hatásaival, most is hasonló az ok, de az okozat az energia kiesés. A galambháló feleszerelése hatékonynak bizonyult.

30. Ábra - A galambháló megakadályozza a galambok/madarak piszkítását.

Összefoglalás, jó tanácsok

A napenergia hasznosító eszközök és rendszerek, sajnos veszteséggel dolgoznak. A beérkező 100 % energiából, csak 51 % jut a felszínre, és ebből is sok elvész. Rendszereink további összes vesztesége a gyakorlat alapján 20-25 % (REAL condition).

A fenti veszteségek csökkentésére, elkerülésére a legjobb megoldás a napelemes rendszer rendszeres karbantartása.

Tisztítás - kora reggel, alkonyatkor felhős időben, langyos vízzel, enyhe dörzsöléssel. A terület helyi klímájától függően 2 havonta vagy 6 hónaponta érdemes megismételni.
Tilos a napelemet tűző napsütésben hideg vízzel tisztítani!
Karbantartás – a rendszeres – mindenre kiterjedő karbantartást /tisztítást érdemes a naptárba beírni. Készítsünk részletes karbantartási tervet. Hatásuk összességében akár 30 % energia növekedés is lehet.
A rágcsálók – helyi eseteket képeznek. Érdemes a vezetékeket védőcsöves szereléssel vezetni.
Az inverter /transzformátor egységek (eszköz, vagy ház) bemeneti szellőző nyílásait védeni érdemes.
Árnyék – Az árnyék (HOT-SPOT) a napelemek szörnyű, mondhatni halálos ellensége. Kettő vagy több munkapontos inverterrel akár bonyolultabb esetek is kezelhetők. Figyelem az átlátszó tárgyak is okozhatnak árnyékot.
A legrosszabb a félárnyék esete. Kerüljük az olyan eseteket, ahol a napelemnek csak egyik fele van árnyékban. Bizonyos szerelési trükkökkel („portré vagy landscape” elrendezéssel) az árnyék vonulási útvonalának tanulmányozásával ez a káros hatás csökkenthető.