Elindult az új Vidéki Otthonfelújítási program! Jelentkezzen!
A napelemes rendszerek alapegysége
A körülöttünk lévő tárgyak, dolgok rendszerint több részből állnak, és nagyon sok esetben felfedezhetjük, hogy a nagyobb egység valójában kisebb, egyforma építőelemekből, úgynevezett alapegységekből épül fel. Az ilyen esetekben a megismerést az alapegység megismerésével javasolt kezdeni. Az elv alkalmazása a napelemes rendszerek esetében is fontos.
A téglából épített házak esetében a tégla a ház statikai alapegysége. Hasonlóképpen az akkumulátorban a cella (az elemi cella) a villamosenergia-tárolás alapegysége.
A napelemes erőművek is alapegységekből és az ezekhez kapcsolt kiegészítő eszközökből állnak.
A kapcsolatrendszerük többnyire soros, ezért a „szűk keresztmetszet” (bottle-neck) fogalma gyakorta felmerül. Ezt a méretezés, tervezés során is figyelembe kell venni.
Az alapegységnek tekinthető az energiagyűjtő egység, jelen esetben ezt a napelem cella[1]képviseli (a szelet alapú napelemek esetében).
A többi rész átalakító, továbbító, védelmi vagy mérési feladatot végez.
A cella
A napelemes rendszer alapegysége a napelem cella vagy egyszerűen a cella.
A napelem-iparban a cella olyan alapvető villamos egység, egy nagy foto - dióda, mely minden olyan tulajdonsággal rendelkezik mint a napelem, de további kisebb egységre nem bontható anélkül, hogy főbb jellemzőit megtartaná. A cella működésének mélyebb megértéséhez több alapvető ismeretre van szükség (félvezető fizika, optika, sugárzástan, kémia, fizika, atomszerkezet). A cella feszültség-áram jelleggörbéje (U-I vagy angolul I-V curve, görbe) alapvetően megegyezik a félvezető diódák (pontosabban a fényérzékeny diódák) jelleggörbéjével. A jelleggörbe kétféle értelmezésben létezik: megvilágított, illetve sötét állapotban.
A cellában a fény hatására elektron ( - , negatív töltés) - lyuk ( + , pozitív töltés ) párok, azaz excitonok keletkeznek. A töltések a külső vezetéken áram formájában jelennek meg.
A cella – a diódához hasonló – adott jelleggörbéje (I-V karakterisztika és teljesítmény karakterisztika) van. Megvilágított és sötét esetben a jelleggörbe eltérő.
Mi a továbbiakban a megvilágított dióda jelleggörbével foglalkozunk.
Egy cella tipikus mérete: 156 x 156 mm (alakja változhat: négyzet, lecsapott sarok, kör alak, vágott formák).
Egy cella tipikus feszültsége: 0,5 V (a dióda nyitó feszültség, Voc= 0,6….0,7 V )
Egy cella tipikus árama: egy 100 cm² felületű szilícium cella árama 2 A (STC esetben, 1000 W/m²). (tipikus áramsűrűség J=35…40 mA/cm2)
Pseudo square (ál négyzet, lesarkított körvonalakkal).
(Véghely Tamás arhívum, technikai gyűjteménye)
A napelem
A napelem[2] építőegysége a napelem cella (cell). A napelem a cellák soros és párhuzamos kapcsolásával épül fel. A feszültséget a soros kapcsolások határozzák meg, az áramokat a párhuzamos kapcsolások (felület). A feszültségek és áramok meghatározásánál az Ohm és Kirchoff (I.-II.) törvényeket kell használni.
A mai technika általában 60 vagy 72 napelem cellát kapcsol össze sorosan egy napelemben. Ezt 3 (4) belső füzérbe szervezik, ennek megfelelően 3 (4) bypass dióda van, melyek a napelem hátsó részén, a vízmentes kötődobozban vannak elhelyezve (JB, Junction ’box,). A napelem belső füzérei szorosan összetartoznak. A füzér bármelyik elemének (vagy egy cella kisebb részeinek) sérülése esetén a füzér (értsd napelem) jelleggörbe jelentősen megváltozik.
A napelem jelleggörbéje már összetett összefüggés, de nagyon és alapvetően hasonló az alegység – a cella (félvezető dióda) – jelleggörbéhez. Az egyes cellák kapcsolati jellegei és egyedi védelmeik (by-pass, azaz elkerülő dióda) befolyásolják az eredő napelem jelleggörbét.
A string (füzér)
A napelemek sorosan és párhuzamosan kapcsolhatók. A soros kapcsolásokat füzérnek (angolul stringnek) nevezzük). A füzérek villamos jelleggörbéje alapvetően hasonlít az őt alkotó alapegység, a napelem jelleggörbéhez. A füzér alapvetően soros kapcsolást jelent.
Tipikus méretei: 2 - 15 napelem sorba kapcsolva.
A string feszültsége egyenlő az egyes napelemek feszültségeinek összegével.
A string áramát a sorosan kapcsolt napelemek árama határozza meg. A legkisebb értékű napelem árama lesz a string árama.
A füzér elemeinek helyes vagy helytelen működése megjelenik a jelleggörbe alakjában is.
Napelem csoport (tömb, elrendezés, Array)
A napelem csoport több füzérpárhuzamos kapcsolatát jelenti. Az array jelleggörbéje, az alkotó elemek eredő jelleggörbéje, de nagymértékben hasonlít az építő elemei (azaz napelem füzérek) jelleggörbéjéhez.
A füzér elemeinek helyes vagy helytelen működése megjelenik az array (napelem tömb) jelleggörbe alakjában.
Tipikus méretei: 2… 10 …15 string párhuzamosan összekapcsolva.
A napelem csoport feszültsége megegyezik az őt alkotó stringek feszültségével (a legkisebb a mérvadó).
A napelem csoport árama megegyezik az egyes stringek áramainak összességével.
Napelem mező (field)
A napelem mező több napelem tömb (array) összekapcsolása. Az összekapcsolás jellege a rendszertechnikai alapoktól függ. Többnyire párhuzamos kapcsolást tartalmaz.
Az összekapcsolódások növekedésével az áramok (és sokszor a feszültségek) növekednek.
Tipikus mérete: 2… 5…8 napelem mező (nagysága vezetékfüggő, rendszerfüggő).
A napelem mező feszültsége megegyezik az őt alkotó napelem csoport feszültségével, mivel többnyire párhuzamos kapcsolások, de egyben rendszerfüggő is.
A napelem mező árama megegyezik az egyes napelem csoport áramainak összességével.
Napelem erőmű (solar Power Plant, SPP)
A napelem erőmű a végső egység, amely minden alap és kiegészítő egységet tartalmaz. A napelem erőmű a napelem mezők végleges összekapcsolása.
Az erőmű többnyire a végfelhasználói hálózathoz (mikro-gridhez) kapcsolódik.
A kapcsolódás KIF/KÖF feszültségen történik, hálózati inverterrel vagy transzformátorral.
A földre telepített naperőművek esetében fokozott gondot kell fordítani a lépésfeszültség kialakulására, mert az erőműben több helyen közvetlen áramforrások találhatók, és ezek földelései.
A naperőművek többféle teljesítményűek lehetnek: 1 kWp …… 100 MWp tartományban.
A naperőmű területén az alábbi feszültségek fordulhatnak elő.
Egyenfeszültség: 12 Vdc …..600 Vdc …. újabban 1000-1500 Vdc.
Váltakozó feszültség: 230 Vac …. 400 Vac, (KIF), 1 kV …. 35 kV (KÖF).
A napelem rendszert a NAP helyezi üzembe!
Ha süt a nap, a napelem erőmű mindig áram és feszültség alatt van.
(max.7-10 napelem, Voc feszültségtől függően)
Nem azonos a „field” (mező) vagy „array” (tömb) megnevezéssel.
Ez utóbbiak villamos szempontból is összetartoznak.
Hasznos gyakorlati tanácsok
- A cella a napelemes rendszerek alapvető építőeleme. A cellában megtalálhatjuk a napelem minden főbb elektromos tulajdonságát, ezért modellezésre is alkalmas (rendszerint 1 cellát feleltetünk meg egy napelemnek).
- A cella egy törékeny, sérülékeny félvezető szelet (lapka), melyet gondosan óvni kell.
- A napelemen belül a cellák a „belső füzérbe” (string) vannak kötve, a napelemek külső füzérben – többnyire sorosan – kapcsoltak.
- Vékonyréteg napelemekben nincsenek cellák, hanem „csíkok” felelnek meg a celláknak. Minden „csík” megfelel egy 2 vagy 3 rétegű (2j, 3j j=junction, átmenet) diódának, ezért viselkedésük is más (például, hó, árnyék).
- Egy 72 cellás napelemben rendszerint 3 belső string van, 3 bypass diódával.
- A napelemes rendszer az alapelemek, alapegységek logikus egységeiből épül fel. A szerveződési egységek (cella, string, field, array, plant) hosszas tapasztalat alapján alakultak ki.
- Minden rendszerben létezik egy szűk keresztmetszet (bottle neck). A legfőbb kérdés, hogy tudjuk-e pontosan, hogy melyik elem az?
- A tervezéseket mindig a szűk keresztmetszet figyelembe vételével kell áttekinteni.
[1] A vékonyréteg napelemek esetében is létezik „cella”, de ezek többnyire csíkok formájában találhatók. Cellának nevezünk egyetlen, foto-dióda tulajdonsággal rendelkező egységet.
[2] A napelemre további elnevezések is ismertek, pl. panel, modul, napelem-modul, fotovoltaikus-napelem, PV, solar-generátor. A legegyszerűbb napelem elnevezést javasoljuk megtartani.
