Még nem maradt le a Napenergia Plusz Programról. Válassza az EU-SOLAR-t!
A napelemes rendszerek működészavarai közül az egyik legveszélyesebb jelenség a részleges vagy teljes árnyékok megjelenése és tartós megléte. Az árnyékhatások miatt kialakuló következmények elemzésének nemzetközi szakirodalma nem túl nagy [1], ezért a téma nagyobb figyelmet érdemel. Cikkünk ezért az árnyékok hatására a napelemes rendszerekben bekövetkező változások hazai szakirodalmát szándékozik gazdagítani. Az árnyékhatások egy része természeti jelenségek következtében lép fel, de az esetek jelentős többségében az emberi tényező – gondatlan telepítés, ismeret hiánya stb. – felelőssége egyértelműen kimutatható. Áttekintjük és elemezzük a különféle gyártási technológiával készült napelemek eltérő viselkedését, és rámutatunk a néha meghökkentő eltérések okaira is. Célunk annak megmutatása is, hogy a valóságban milyen árnyékolások fordulhatnak elő, és ezeknek mekkora jelentőséget kell (érdemes) tulajdonítanunk. Ebben a cikkben háromféle technológiai főcsoportban, mintegy hat napelem (aSi_2j kettős átmenetű amorf szilícium, aSi_3j hármas átmenetű amorf szilícium, cSi monokristályos napelem, pSi polikristályos napelem, EFG) került vizsgálatra, laboratóriumi és terepi körülmények között. A cikk egy további fontos megállapítása annak megmutatása, hogy a mérések – még a labormérések is – csak akkor tekinthetők hitelesnek, ha azok a saját gyártástechnológia szerves részét képező saját végmérő berendezésén készültek. A cikk összesítő táblázata világosan rámutat az egyes technológiák közötti alapvető eltérésekre és ezek okaira. Ezek figyelembevétele a tervezés, kivitelezés során nagymértékben befolyásolhatja a hozamokat és ezen keresztül a megtérülést.
A rendszerek viselkedése különféle
A napelemek árnyékhatásokra adott válaszairól a hazai szakirodalom is vajmi kevés. Ezért ez a cikk hiánypótló. A cikk egy korábbi műszaki tanulmány anyagát dolgozza fel. Szakcikkünk gyártási tapasztalatok, nemzetközi szakirodalmi elemzések és diplomázó kollégák munkájára alapozva ismerteti, mutatja be a témakört. A feltáró munka során, többféle módszerrel vizsgáltuk a piacon domináns három alapvető konstrukciót (kristályos, polikristályos, vékonyréteg). 1. Adattáblaadatok összehasonlítása a gyári eredeti mérésekkel, minden napelemet a saját előállítási technológiája végmérési utasítása szerint ellenőriztünk a saját I-V teszter mérőpadon (alaphelyzet). 2. A vizsgált napelemeket a „másik előállítási technológia” végmérési utasítása szerint is ellenőriztünk a másik technológia I-V teszter mérőpadján. 3. Ezt követően különféle módszerekkel mesterségesen próbáltuk előidézni az árnyék kialakulását. Ennek érdekében különféle anyagokkal eltérő mértékű és helyzetű árnyékokat hoztunk létre a cellák, illetve a napelemek különféle helyein. 4. A cellák és modulok alkalmazott takarási helyzetei lefedik a gyakorlatban előforduló lehetséges eseteket. 5. A különféle gyártási technológiával készült napelemek jelentős, néha (a szakember számára is) meghökkentő eltéréseket mutattak. 6. Laboratóriumi és terepi mérésekkel megmértük a takarások hatásait az I-V karakterisztikára és a teljesítményre. A méréseket alapvetően a technológia saját mérőrendszerén végeztük, de teszteltünk olyan eseteket is, amikor az „ellenkező technológia” mérőpadján is megmértük a napelemet. 7. Terepi körülmények között megismételtük a takarási sorozat méréseit.
Az árnyék és kialakulása
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 (kemény árnyék), míg máshová a fényforrás felületének egy részéről érkeznek fénysugarak.
Az 1. ábra szemléletesen mutatja a félárnyék és keményárnyék szerkesztéséhez szükséges sugármeneteket. Figyeljük meg, hogy az egyes területek nem határolódnak el élesen, folyamatos átmenetek jellemzik a zónát. Teljesen sötét „fekete” (azaz fénymentes) árnyék a valóságban szinte sosem fordul elő a szórt fény jelenléte miatt (GDIsugárzás, 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. A napenergia-hasznosító eszközök esetében (napelem, napkollektor és a CHP-eszközök) egyértelmű, hogy az árnyék – mivel a sugárzás intenzitását csökkenti – káros hatással van.
Az árnyék tulajdonságai
A szabadtérben lévő eszközök esetében az árnyék napfüggő, így az árnyék helyzete, nagysága is változó, többnyire úgynevezett vonuló árnyék. Ha a besugárzás irányából tekintve a napelem előtt tárgy(ak) van(nak), ezek árnyéka a napelem felületére képződik le (a napelem síkernyőként viselkedik optikai szempontból). A 2. ábra hóesés miatti részleges árnyékoláskor készült. (2002. tél, Budapest, Dunasolar vizsgáló állomás.) A helyesen telepített amorfszilícium-rendszerben a hó hamar lecsúszik. Ez nem vonuló, de lassan csökkenő árnyék.
Az amorfszilícium-rendszerek kimagaslóan jobban bírják az árnyékot, félig vagy akár teljesen hóval (vékonyan, 1-2 cm) borítva is működnek. Mivel a napelemes rendszerek különféle szervezésű, sorosan és párhuzamosan kapcsolt napelemcsoportokból épülnek fel, továbbá az egyes napelemek felépítése is hasonló – ti. ezek sorosan és párhuzamosan kapcsolt elemi cellákból állnak, annak ismerete, hogy az árnyék az adott tárgy mekkora hányadát takarja le, különösen fontos. A „tárgy” fogalmi körét itt széles értelemben használjuk. Tárgy lehet egy teljes napelemerőmű, annak egy része, egy sorosan kapcsolt füzér (string), egy napelem, egy elemi cella. A sorosan és párhuzamosan kapcsolt villamos rendszerekben a kapcsolt elemek „egyformasága, azonossága” kritikus tényező. Az árnyék felborítja, időszakosan felülírja az általunk megvalósított szimmetriát! Árnyékot képezhetnek rendszerünkben az alábbi tárgyak: • áramszolgáltató hálózat oszlop, pózna árnyékai, • villámhárító árnyéka, • felhő árnyéka, • fa árnyéka (a fa növekszik), • hó, esőcsepp, • nagy tereptárgyak (ház, hegy stb.), • madár- és egyéb piszok által okozott árnyék (többnyire tartós árnyék).
Az árnyék által okozott hatások általában
A napból hozzánk érkező szélessávú elektromágneses sugárzás összetett, és egyaránt tartalmaz a látható fénytartományba eső hullámsávokat (390 nm – 800 nm) és nagyobb hullámhosszú, úgynevezett infravörös sugárzást is. A közeli infra tartomány (NI, near infra, 800 nm és 2,6 /μm közötti tartomány) jellemzően hősugárzást jelent. Az árnyék – mint említettük – a fényhasznosító eszközök esetében nem kívánatos, mert teljesítménycsökkenés által energiacsökkenést okoz.
3. ábra: Helytelenül, árnyékba telepített napelemes energiaellátó rendszer (Szécsény, buszpályaudvar, 2011.)
4. ábra: Helytelenül, árnyékba telepített napelemes rendszerek (Szécsény, buszpályaudvar, 2011.) A 3. és 4. ábrákon, elrettentésképpen egy hibás telepítést mutatunk be. Az összes telepített oszlop árnyékba került, de csak félárnyékba. A napelemes rendszerek esetében (ha már nem kerülhetjük el az árnyékot) az egyöntetű árnyék bizonyos tekintetben jobb, mint „a fele árnyékban, a fele a napon” eset. Itt még ez a kissé vigasztaló eset sem valósulhatott meg! Összefoglalva tehát, egy többszörös, némely esetben ellentmondó hatással állunk szemben: • Az árnyék sokszor a hőmérséklet-terhelést 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 részlegesen 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.
Napelemes rendszerekben okozott hatásai
Ha egy napelemen belül vizsgáljuk az árnyék hatását, azt mondhatjuk, hogy bizonyos konstrukciók esetében szinte a legkisebb árnyék is elegendő a teljes működésképtelenséghez, míg más esetekben szinte a teljes felület árnyékba kerülhet – sőt akár le is takarhatjuk, a napelem akkor is tovább működik. Ismeretes, hogy a vizsgálatoknál és a minősítéseknél az ún. 1000 W/m2 besugárzási érték megléte a standard feltétel (STC, AM1,5, 25 C, 1000 W/m2 besugárzás). Ha a megvilágítás szintje csökken (felhősebb, esős idő), akkor ezt úgy is felfoghatjuk, hogy a napelem (vagy cella) teljes terjedelmében egy egyenletesen szétterülő „árnyékba” került. Ez természetesen csak modell jelleggel fogadható el, hiszen egy valódi árnyék ennél sokkal összetettebb, nem egyenletes, és időben, térben gyorsan változhat. 
A valós telepítések esetében jelentkező árnyékok tipizált modelljét mutatja az 5. ábra. Felfogható egy tetőre szerelt rendszernek, ahol a kémény az árnyék okozója, de szerepelhet oly modellezésben is, ahol egy földi állványrendszerre telepített napelemerőmű részleges árnyékhatást szenved egy, a közelében álló kéménytől. Vagy adott esetben lehet egy villámhárító által okozott árnyék. Az így keletkező árnyék részleges és változó.
Árnyékvizsgálatok
2010-ben és 2011-ben részletes terepi és gyári laborméréseket végeztünk. Vizsgáltuk és feltártuk a különféle árnyékok hatását a különféle technológiával előállított napelemekre. A vizsgálatok azt jelezték, hogy a különféle napelemek jelentős különbségeket mutatnak az árnyékolás esetében. Az alábbi – a természetben is előforduló – eseteket vizsgáltuk (6–9. ábrák): • felhő-előfordulás, • homokvihar és homokráhordás a felületre • pára, víz megtapadása a felületen • az őszi levélhullások hatásai (egy-két levél, csoportos hordalékok), • „nejlonszatyort sodor a szél” effektus vizsgálata. Az egyes „helyzeteket” az adott napelemek esetében gyári megvilágító mérőhelyen is, és a terepen, természetes megvilágítások esetében is vizsgáltuk.
6. ábra: Elemi dióda takarási modelljei
7. ábra: Vékonyréteg napelem takarásai
8. ábra: Szeletalapú napelemek takarásai a labormérések során
9. ábra: Árnyékhatások terepi mérései
A mérési technika hitelessége
A napelemek méréstechnikájában az egyik fő problémát a mérési referenciaetalon kialakítása, illetve biztosítása jelenti. A különféle gyártási eljárások különféle alapanyaggal különféle konstrukciókat eredményeznek. Ha egy adott technológiával készült napelemet egy másik technológiát alkalmazó gyártássor végmérő műszerével akarunk mérni, visszamérni, ez egyben a szakma egyik komoly méréstechnikai dilemmáját is jelenti, nevezetesen az időben stabil mérési etalon fogalmát, illetve eszközét. A szeletalapú konstrukciók és vékonyréteg jellegű konstrukciók spektrális érzékenysége jelentősen eltérő, ezért a méréstechnikát is ehhez kell igazítani. Rámutattunk arra, hogy a helytelenül megválasztott méréstechnika súlyos tárgyi tévedésekhez (és még tévesebb következtetésekhez) vezethet – melyek első pillantásra „látszólag” korrekt mérésnek tűnhetnek. (Ilyen vizsgálatok esetében a megfelelő szakmai mélység elengedhetetlen.). Vizsgálati módszereket dolgoztunk ki, és feltártuk a különféle árnyékok hatását a különféle technológiával előállított napelemekre. A terepi mérések során olyan mesterségesen előállított helyzeteket alkalmaztunk, melyek előfordulási valószínűsége nagy és tipizált. A vizsgálati módszereket úgy dolgoztuk ki, hogy a mérés – az előfordulás esetlegessége ellenére – méréstechnikai szempontból hiteles és reprodukálható legyen. A mérésekben többféle napelemet (és technológiát) vizsgáltunk meg, melyek ma a piacon kaphatók: A. Hazai gyártású monokristályos napelem, 72 cellás, 150 Wp monokristályos napelem (Korax) B. Osztrák gyártmányú, fémalapú polikristályos napelem, cserép formájú tetőfedő elemként kialakítva (Prefa). C. Három átmenetű (3j) flexibilis amorf szilícium napelem (Unisolar, 30 Wp). Ilyen technológiát használnak a hajlékony napelemes tetőfedő rendszerekhez is. Előnyük a magas energiahozam (+8–10%-kal több, mint az m_Si), kis tömeg, nagy viharállóság, még orkánszerű esetekben is. D. 2 átmenetű (2j), Heliogrid gyártmány (2010) HG 40, azonos a korábbi Dunasolar DS40 (40Wp), EPV 40, BS40 ekvivalens típusokkal, üveg-üveg tokozású amorf szilícium napelem. E. Különleges EFG (Edge defined Film fed Growth) technológiával előállított, szeletalapú, nagy hatékonyságú napelem.
10. ábra: Egy Korax 22 Wp-os napelem végmérési adatai saját mérőpadon. A napelem megfelelő! 
11. ábra: Az ábra ugyanazon napelem mérését mutatja, de egy olyan mérőpadon, mely amorf szilícium napelem gyártására készült. A mérőrendszer a napelemet „HIBÁS napelem” azonosítással minősítette
Hatások, vizsgálati eredmények
• Az árnyékolással kapcsolatos mérések és vizsgálatok (saját és nemzetközi vizsgálatok is) egyértelműen igazolták, hogy a részben vagy teljesen árnyékolt cella működése megszűnik. • A soros kapcsolatok miatt ezért az egész modul működése megszűnhet. • Sorosan kapcsolt napelemek esetében a füzér működése is torzul. • A vizsgálatok további (talán legfontosabb) megállapítása, hogy a különféle vizsgált konstrukciók közül az amorf szilícium napelem működését volt a legnehezebb meggátolni az árnyékolásokkal. Az a_Si napelemek működőképességét az árnyékolás gyakorlatilag nem befolyásolja, a teljesítmény – a letakart felületnek megfelelő részarányossággal – csökkent, de működőképes maradt.
A string jelleggörbe kialakulása
12. ábra: A stringfeszültségek kialakulása.
A napelem jelleggörbéje (12. ábra) az egyes cellák I-V jelleggörbéjéből épül fel a soros – párhuzamos kapcsolás szabályainak és jellegének megfelelően. Hasonlóképpen egy adott string jelleggörbe a stringet alkotó egyedi napelemek jelleggörbéjéből épül fel. Ez esetben a soros kapcsolás a jellemző. Ha a string (sorosan kapcsolt modulfüzér) egyes elemeit árnyékoljuk, akkor az árnyékolás jellegétől és mértékétől függően teljesítménycsökkenést, végletes esetben teljes működésképtelenséget kapunk. A jelenség lefolyását illetően bizonyos analógia állítható fel az elemi cellákból felépülő napelemmodulok és a napelemmodulokból álló stringek viselkedését illetően. A telepítés előtt a helyszínt fel kell mérni a várható árnyékok szempontjából. A kritikus pontokat és helyzeteket elemezni kell. Megfelelő szakember egy szemlével, terep-előkészítéssel az „árnyékolás” bekövetkeztének folyamatát képes előrejelezni.
1. táblázat
13. ábra: Egy 75%-osan árnyékolt napelem karakterisztika torzulása
Az 1. táblázat tömören összefoglalja a vizsgált helyzeteket és a kapott eredményeket. Megmutattuk, hogy a különféle napelemek milyen meghökkentő különbségeket mutatnak ugyanazon árnyékolás esetében. Feltártuk a különféle árnyékok hatását a különféle technológiával előállított napelemekre. Míg egyes típusok a legkisebb árnyékolás esetén is megszüntetik működésüket, addig más típusokat szinte „agyon sem lehet verni” semmiféle árnyékolással (14. ábra). Mivel a napelemek éves működési idejének többsége (de legalább mintegy 50%-a) árnyékos, félárnyékos, felhős időszakra esik, belátható, hogy az árnyékban történő viselkedés jelentősen kihat az éves hozamokra és így a megtérülésre is. Az árnyék káros hatásainak csökkentése megoldható, ehhez azonban más típusú napelem-napelem kapcsolásokat kell megvalósítani. Nagyobb erőművek esetén az árnyék jelentős termeléskiesést, bizonyos esetekben súlyos meghibásodásokat is okozhat. Szakértői vizsgálatokkal ennek egy része elkerülhető. Végezetül néhány elrettentő és jó megoldást mutatunk be.
14. ábra: A vékonyréteg napelemet igen nehéz tönkretenni
15. ábra: Helytelen erőmű-telepítés
16. ábra: Spanyol erőmű fényben és árnyékban – helytelen telepítés
17. ábra: Helyesen telepített erőmű
Összefoglalás – következtetések
Egyértelműen kimutatható, hogy az árnyékok csökkentik az energiahozamokat, és jelentős károsodást okozhatnak a napelemes rendszerekben. A különféle technológiával gyártott napelemek jelentős eltéréseket mutatnak az árnyéktűréssel kapcsolatban. A vékonyréteg napelemek viselik el a legjobban az árnyékot, ezért meghibásodásuk kevesebb. Gyakorlatlan telepítők az árnyékok veszélyét figyelmen kívül hagyják. Szakértő bevonásával (tervezés, telepítés) a hozamnyereség növelhető. Az árnyékok kedvezőtlen hatásai megfelelő tervezéssel és telepítéssel csökkenthetők, kiküszöbölhetők. A napelemes rendszerek hibátlan működésének fenntartásához szakértői személyzettel végzett rendszeres karbantartás szükséges.Irodalomjegyzék – javasolt irodalom [1] Fózer Tamás: A különböző típusú napelemek árnyékhatás vizsgálata (diplomaterv), Óbudai Egyetem, 2011 [2] Véghely Tamás: Napelemek és napelemrendszerek szerelése (szakkönyv), Cser Kiadó, 2012 (ISBN 978-963-278-282-9; ISSN 1585-0021) [3] Gaiasolar Kft. szakirodalmi könyvtár [4] Sourabh Dongaonkar, Muhammad A. Alam: Identification, Characterization, and Implications of Shadow Degradation in Thin Film Solar Cells, School of Electrical & Computer Engineering Purdue University, West Lafayette, IN, USA [5] N.K. Gautam, N.D. Kaushika: Networkanalysis of fault-tolerant solar photovoltaic arrays [6] Hajime Kawamura, Kazuhito Naka, Norihiro Yonekura, Sanshiro Yamanaka, Hideaki Kawamura, Hideyuki Ohno, Katsuhiko Naito: Simulation of I2V characteristics of a PV module with shaded PV cells [7] Napelemek és napelemrendszerek szerelése és beüzemelése (tanfolyamok, oktatási anyag) 2009–2012 [8] http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/ 2010-0017_09_napenergia/adatok.html Másodközlés a Fórumban megjelent cikk alapján
