Most már értem a napenergiát XXVI. - Optimumok keresése a napelemes rendszerekben

Az utóbbi időszakban Magyarországon is felgyorsultak a napelemes alkalmazások. Kormányzati támogatások, pályázatok is segítik az egyéni célkitűzéseket. „Szerencsére vagy nem” megszaporodtak a kivitelezők is. Sokan gondolják azonban azt, – és ezért is vállalkoznak oly könnyelműen a kivitelezésre, – hogy a felszerelés egy viszonylag egyszerű dolog. Nos ez egyáltalán nincs így: a telepítés egy bonyolult, soktényezős, összetett folyamat. Manapság az esetek többségében a projekt ellenőrzése is kívánalmat hagy maga után, hiányoznak a képzett ellenőrök …. A telepítés néhány fontosabb részletét most megkíséreljük áttekinteni.

Bevezetés

Általánosságban mondhatjuk, hogy a gyakorlatból a legfontosabb tanulság az, hogy többnyire létezik egy optimum, ezért érdemes időt fordítani erre és megkeresni a lehetőségeket.

Az optimum lehet maximum /minimum, nulla, vagy egy konkrét kívánság szerinti adott érték beállítása. Cikkünkben most a napelemes rendszerek optimumait, optimális beállításait tárgyaljuk. Egy átlagos napelemes rendszer több mint 10-féle elemből áll. Minél kevesebb elemből áll a rendszer (a meghatározó paraméterek száma) annál könnyebb egy optimum megtalálása.

Optimum

Definíció: Optimumnak nevezzük egy adott helyzet, vagy többnyire több elemből álló összetett rendszer (gyártási sor, biológiai/kémiai folyamtok…) paramétereinek olyan adott beállítását/kombinációját, mely esetében a rendszer valamely paraméterét (kihozatal, elfoglalt terület, pénzügyi mutatók stb.,) számunkra a lehető legkedvezőbb helyzetbe hozzuk.

Bonyolult rendszerek esetében több optimum is előfordulhat. Többnyire az egyik optimum a legjobb, ezt globális optimumnak, (GO), A többieket lokális optimumnak LO nevezzük. Ritkán fordul elő, hogy több egyenértékű optimum legyen egy rendszerben.

Anélkül, hogy a részletekbe komolyabban belemennénk, álljon itt egy séma a napelemes rendszer telepítésének fontosabb lépéseiről. (1. Ábra)

Napelemes rendszerek esetében többféle paraméterre szokás optimalizálni. 

• Energia hozam (éves, szezonális)
• Elfoglalt hely
• Minimális bekerülési költség 
• Megtérülési idő (return time, payback period)

A leggyakoribb az energiahozamra való optimalizálás, mely egyben a megtérülési mutatókat (PR, LCOE, IRR, NPV, BMR) is optimalizálja. Az energiahozamra való optimalizálás is több csoportra osztható: éves, vagy szezonális. Az éves optimalizálás azt jelenti, hogy a teljes év alatt elért összes hozamot kell figyelembe venni. Időszakos hozam (szezonális) optimalizálásnak akkor van értelme, ha egy bizonyos időszakban (évszakban) használjuk csak a rendszert, például nyáron, a balatoni nyaralóban, vagy éppen a téli energiaellátásban kívánunk maximumot elérni. Az energiahozam megváltoztatását, a leg látványosabban a napelem helyének, illetve helyzetének megváltoztatásával tudjuk befolyásolni, de mielőtt erre rátérnénk, álljon itt egy híres, már-már hírhedt példa (és ez nem anekdota!).

Szétszedjük, összerakjuk: az eredmény +40% 

Az elmúlt esztendőkben egy cég az interneten így hirdette magát: 

• mutassa meg nekünk rendszerét, 
• mi szétszedjük, és ugyanazokat az elemeket felhasználva újraépítjük!
• garantáljuk, hogy 40%-al több hozama lesz!
• Vajon mit tudhatott ez a cég? (Nyílván birtokolta azt a tudást, hogy a napelemes rendszerelemek mélyebb ismeretében és megfelelő tapasztalattal, már kezdetben is, jelentős hozam optimumot lehet elérni.)

HELY, HELYZET 

A telepítés további fontos tényezője a hely és helyzet. Ennek helyes megválasztása kulcsfontosságú. „Lehetőleg kerüljük” az árnyékos, poros, homokos területet. A napelemet irányítsuk (orientáció) dél felé (azimut szög).Az árnyék kifejezetten káros a napelemre (hot spot, rövidzár kialakulásának veszélye). A levegő szárazanyag tartalma (por, korom, pollen, füst stb.,) árnyékoló hatású felületi réteget képez, mely akár 20-30%-os romlást idézhet elő. A közhiedelemmel szemben (…”majd az eső lemossa…” ) a megtapadt piszok egyszerű öblítéses mosással nem távolítható el, csak dörzsöléses mosással. (A folyamatnak épp fordítottja a megfelelő karbantartás, mely ugyanilyen hozamtöbbletet eredményezhet!) Homokos, sivatagos területre nem javasolt napelemes rendszert telepíteni, vagy ha mégis akkor komoly karbantartási műveletekre kell felkészülni, a várt hozam fenntartása érdekében. 
A tartós nedvesség sem kedvez. Ezen felületeken (lapostetőn kialakuló tócsák, kis lejtésszögű telepítés) zuzmó, moha telepedhet meg.

A telepítés helyes emelési szögei (vízszintes síkhoz képest):

Alapesetben az emelési szög, a mindenkori földrajzi szélességnek megfelelő szög. (Magyarország a 47-48.-ik szélességi kör között fekszik, ezért az éves optimumok:

• emelési szög éves maximális hozam eléréséhez 47 fok
• emelési szög nyári maximális hozamhoz (47-15 = 32) fok
• emelési szög téli maximális hozamhoz (47+15 = 63) fok.

IDŐJÁRÁS

Földünk időjárását és klímáját több olyan tényező határozza meg melyet nem tudunk befolyásolni (Föld-Nap távolság változása, a forgás és a forgástengely ferdesége, a precesszió, és ennek nutációja, a nagy légkörzés, és a nagy óceáni termohalin, szállítószalag[1]). A Köppen-Geiger féle időjárási zónákat és a helyi időjárási körülményeket mindenképpen érdemes figyelembe venni a telepítéskor.

A napenergia termelés időszakos és ciklikus. Az időszakosság alól bizonyos mértékig kivételt képez a Ráktérítő és a Baktérítő közötti „sun-belt”, de ott, a vitathatatlan előnyök mellett, más problémák is felmerülnek. Az időjárás mindig és mindent befolyásol. Az előző ábrákon látható szörnyűségek is részben az időjárásnak köszönhetők, de jegyezzük meg, ha felkészültek vagyunk (mélyebb ismeretek, tapasztalat) a hibák mértéke jelentősen csökkenthető. A hideg kedvező a hozamokra, a meleg kevéssé – ezt is nehéz beilleszteni a gondolkodásunkba.

„lement a nap a maga pályáján …” – így szól a gyönyörű gondolatokat ébresztő nóta. A napenergia termelés számunkra mára befelyeződött! Nos itt lép be a rendszerbe a tárolás szükségessége, ha folyamatosan használni akarjuk a napenergiát. Bizonyos értelemben ez is OPTIMALIZÁLÁSNAK tekinthető, hiszen a folyamatos rendelkezésre állást (hozzáférést) biztosítja. A tárolókapacitás kiépítésekor vegyük figyelembe, hogy az akkumulátorok csak kapacitásuk 50%-káig meríthetők le biztonságosan és figyelembe véve, hogy tartósan akarjuk használni.

Tracking rendszer (napkövető méréssel, napkövető vezérléssel)

NAPUNK, a nap folyamán egy adott pályát ír le az égbolton, melynek nyomvonala az év folyamán változik. A horizonton a felkelés és lenyugvás helyei is változnak, és a delelő napmagasság is változik. Nyáron magasan delel (60-70 fok) a nap, télen épp, hogy csak felúszik az égboltra (18-22 fok). A földfelszínre érkező energiasugárzás ezért, és további légköri jelenségek miatt is, változó. Egy sugárzó energiát egy sík felülettel akkor tudunk a legjobban hasznosítani, ha fogadó felület merőleges a sugárirányra. Célszerű tehát olyan megoldásokban gondolkodni, ahol a napelemeink felületét mindig a nap felé fordítjuk (angolul tracking), mint a napraforgó.

A legegyszerűbb tracking rendszer az földfelülettel párhuzamosan elhelyezett tengelyű, É-D forgástengellyel rendelkező, kézi vezérlésű napelem telepítés, melyet egy személyzet vagy vezérlő szerkezet a helyi idő változásának megfelelően forgat.

A napelemes rendszerekben az energiát az inverteren keresztül tudjuk kivenni. A méretezés során az inverter jeleggörbéjét illeszteni kell a napelemből képzett string csoportok DC szintű energiájához (ami a besugárzás függvényében a nap folyamán változik).

Ez az illesztés a napelemes rendszerek méretezésének egyik komoly problémáját jelenti, mely kihat az optimumokra is.

zöld – teljes hozam (a lehetséges hozamok burkoló görbéje)
piros – vertikális, függőleges oszlopon kéttengelyű forgatás
kék – a sarkcsillag felé fordított tengely (É-D pozícióban), K-Ny forgatással
narancs pont – vízszintes telepítés, É-D forgástengely
sárga – fixen telepített rendszer
lila pont - vízszintes telepítés (tengely É-D pozícióban),  K-Ny forgatás

Magyarul: ha a rendszer méretezésénél nem tudtuk megoldani az inverterrel a Nap járásához illesztett „finomhangolást” akkor akár a többlethozamok jelentős részét is elveszíthetjük. (Nos így már érthető a korábbi +40% ajándék!)

Természetesen ezt csak tréfásan kell értelmeznünk, mert a forgatásokat komoly szoftverekkel mozgatott precíz mechanikák végzik. A nappályák a föld minden pontján, előre pontosan kiszámíthatók, a szoftverek ezeket az adatokat használják.

Kissé bonyolultabb a helyzet, ha a telepítési hely környezete nem „tiszta” nem sík, esetleg havas, sőt enyhén felhős is lehet az idő.

Mi a helyzet, ha teljes felhősödés van?

Ilyen esetekben a NAP, mint primer pontszerű fényforrás jelentéktelenné válik, szinte eltűnik. A domináns sugárzás a szórt sugárzássá (GDI, global diffuse insolation) változik, az árnyékok is jelentéktelenné válnak, néha eltűnnek. Ráadásul a felhőzet vastagsága is változó lehet (szél, egyéb légköri hatások miatt), így nehéz szinte lehetetlen megcélozni a „merőleges beesés” optimális esetét. Ámde a jól kiképzett – némelykor a mesterséges intelligencia (AI) határát súroló - vezérlő szoftverek „1000-el” dolgoznak. Munkájukat érzékelők, jeladók (12. Ábra.) segítik, melyek arról szolgáltatnak adatot, hogy mely térszögben nagyobb a pillanatnyi (vagy időátlagos) szórt sugárzás. Érdemes ilyenkor adott hosszúságú idő-integrálokkal dolgozni, az esetlegesen gyorsan változó fényviszonyok miatt. A házi használatú rendszerekben (HMKE) ez a helyzet nem okoz igazából nagy gondot. A nagyobb problémát a kereskedelmi nagy napelem parkok jelentik, a kötelező előrejelzések miatt.

Amint érzékelhető az elmondottakból, a napkövető rendszerek nyilvánvalóan többlethozamot mutatnak (többe is kerülnek). Az előnyök többnyire hátrányokkal is párosulnak, az alkalmazás megfontolást igényel. (A szélvihar, jégeső haváriákról még nem is beszéltünk!) A 13.-ik Ábra ökölszabály szerűen összegzi az egyes telepítési helyzetek főbb tulajdonságait.

Kétoldalas napelemek (Bifacial)

Az utóbbi 10-15 év lázas kutatás fejlesztési munkálatokkal telt el a napelem iparban. Kiderült, hogy Shockley-Quessier korlátot (33-34% hatásfok) tényleg komolyan kell venni. De az is nyilvánvalóvá vált, hogy az iparnak ennél sokkal nagyobb hatásfokra lenne szüksége. Megindult az ötletelés, sorra születtek jobbnál jobb megoldások (felezett cella, intenzív besugárzás, „50-100 Nap erősség”, „Chello-fémezés” stb.,). És adódott egy további remek ötlet: mi lenne, ha a napelem kétoldalú lenne, ekkor a talajról visszaverődő (albedó) sugárzást is lehetne hasznosítani. (15. Ábra). Az ötletet eredetileg 1960 -ban vetette fel H. Mori.

Az ötlet jó, a többlet hozam is nyilvánvaló eredmény, de ahogy már megszoktuk jönnek az újabb problémák, nem is kevés. 

Hogyan lehet kiszámolni azt, hogy mennyi energiát termel a „hátország”, és ezt hogyan kell figyelembe venni az inverterek méretezésénél. Az inverterek többnyire bemeneti kapukkal dolgoznak. Ami nem fér bele az adott bemenet (feszültség, áram) max-min fogadó sávjába, azt egyszerűen levágják, vagy el sem indulnak. A hátsó kábelezést is módosítani kell, hiszen a kábel most már „árnyékot vet” a saját napelemére. 

Az albedó értéke is változó, minden anyagra más és más, ezért külön számításokat igényel. Például a nedves homok nedves fű más albadót mutat, mint a száraz! (A hátoldali sugárzás spektrális összetétele is más, a hátsó sugárzás a napelem saját vetett árnyékáról származik…). 

Sőt az MPPT kereső algoritmusokat is megbolondíthatja ez az újabb helyzet. (az MPPT értelmezését lásd cikkünk további részében) 

A kétoldalas napelemek esetében kettős hatásfokot kell figyelembe venni.

Az előoldali (front) hatásfokot a „szokásos” STC megvilágítási feltételekkel számolják, azaz 1000 W/m2 intenzitással. A hátoldali (rear, back side) hatásfok számítása visszafogottabb: 200 W/m2 besugárzási intenzitással történik.

(Jegyezzük meg, hogy a nemzetközileg elfogadott érték arra az esetre, hogy mi tekinthető az „éppen, hogy süt a nap” minimális helyzetének, ez éppen 200 W/m2.)

A szakma elfogadta a bifacial elnevezést, sőt a hátsó és első oldali hozamok arányára megalkotta a „bifacialitás” kifejezést (bifacial hatásfok) is.

Bifacialitás = ηbi = ηrear / ηfront

ηbi < 1

A geometriai viszonyokból és az árnyékhatásokból az is kikövetkeztethető, hogy egyáltalán nem mindegy milyen magasra telepítjük a kétoldalas napelem rendszert. (18. Ábra.)

Egy kétoldalas napelem park esetében a besugárzási viszonyok valós geometriáját mutatja be vázlatosan a 19. Ábra. Figyeljük meg, hogy a hátsó felületek albedó besugárzása erősen függ a napelemek sortávolságától és a telepítési magasságtól.

A kétoldalas napelemekkel az IEC 60904 szabvány foglalkozik. (IEC 60904 1-2 TS „Photovoltaic devices, Part 1-2: Measurement of current-voltage characteristic of bifacial PV devices”)

A kétoldalas napelemek egyik leg kézenfekvőbb alkalmazása a függőleges helyzetű telepítés, például kerítésnek, elválasztónak (É-D telepítési nyonvonallal). Tipikus mezőgazdasági alkalmazás (agrivoltaics).

MPP- (IV görbe)

Eddig nem beszéltünk erről, de a napelemes rendszerek egyik fontos jelleggörbéje az I-V (áram-feszültség) görbe. A napelem tényleges munkapontja ezen a görbén található, de nem mindegy, hogy hol. Anélkül, hogy részletesebben nekifognánk a görbe elemzésének bemutatjuk a főbb jellegzetes pontokat.

A 24. Ábra meglehetősen zsúfolt ezért egyben nagyon informatív. 

I-V görbének is szokás emlegetni. A napelem legfőbb villamos paraméreit (Isc – rövidzárási áram, és az üresjárási feszültség Voc ). feltüntettük. Működés állapotában a megfelelő terhelés (R egyenes) jelöli ki az aktuális (pillanatnyi) munkapontot. Az ábrán több munkapontot is ábrázoltunk (1, 2, Pmax) különféle jelölésekkel. A kinyerhető teljesítmény számértéke arányos a piros görbevonal egyes pontjaihoz tartozó téglalapok területeiével (I1* V1, vagy I2*V2). Egyszerűen kimutatható, hogy ebben (és sok más hasonló esetben is) csakis egy és egyetlen olyan pont létezik, melyhez tartozó téglalap területe maximális. Ez a maximális teljesítmény munkapont - MPP. a T2 -vel jelzett téglalap területe a lehetséges legnagyobb – de sajnos csak elméleti érték, mert az Isc és Voc paraméterek szorzata (mely így együtt soha nem lehetséges).

 A Pmax-hoz tartozó téglalap T1. 

A T1/T2 arányt kitöltési tényezőnek (FF) hívjuk, mely megmutatja a napelem „jóságát”, és maximális értéke 1. A gyakorlatban kapott értékek 0,7 – 0,9 között mozognak. Egy FF= 0,78 értékkel rendelkező napelem már „harapósnak” mondható. 

Az energiát az inverterek szolgáltatják. Másik fontos feladatuk (korszerűbb inverterek), hogy megkeressék (folyamatosan!) a maximális munkapontot és így maximális energiát szolgáltassanak számunkra. Ezt a folyamatot MPPT- nek nevezzük (maximum power point tracking). A mai korszerű inverterek 2, 3 vagy több optimális munkapontot (stringcsoportot) tudnak kezelni. 

A telepítés során a napelemeket villamos szempontból sorosan – stringekbe – kötjük. Az eredő jelleggörbe is ennek megfelelően alakul ki. (25. Ábra)

MPPT keresés (Buck boost)

Az MPPT keresés erre a célra kifejlesztett kereső algoritmusokkal, szoftverrel történik, mely az inverter tartozéka, egyik fontos jellemzője. A korai kereső algoritmusoknak két alapvető változatát érdemes megjegyezni. Az egyik a „buck” a másik a „boost” algoritmus. (26. Ábra)

Az egyik „felülről” keres a másik alulról.

A kereséséi algoritmusokra tipikusan jellemző, hogy fokozatos közelítéssel keresik meg a célt (szukcesszív approximáció).

A korábban említett I-V jelleggörbével együtt szokás feltűntetni egy másik görbét is, a teljesítmény görbét (power, kék vonal). A görbe maximuma természetesen korrelál az I-V görbe megfelelő pontjával. (27. Ábra)

Nézzünk egy valós esetet. a 28. Ábra baloldalán 8 db sorosan kapcsolt napelem eredő karakterisztikájának végső állapotát (piros) és felépülésének részleteit (szaggatott vonal) látjuk. PMP az optimális munkapont. Az ábra jobboldali része azt a helyzetet mutatja amikor egy napelem árnyékba kerül. Az I-V jelleggörbe lényegesen megváltozott. Két lehetséges munkapont adódik. Az „A” esetben a napelem védő „by-pass” diódája kiiktatja az árnyékos napelemet, az energia valamelyest csökken, de a csökkenés nem jelentős. A „B” esetben nincs by-pass dióda (vagy meghibásodott!) és az eredő munkapont B-be tolódik! Az energia JELENTŐSEN lecsökken.

Komplex optimum keresése

A leg bonyolultabb feladatot a nagykiterjedésű napelem erőművek (large scale solar power plants, LSI-SPP) részleges árnyékolása (PS, partial shade) esetében előforduló esetek jelentik.

A nagy kiterjedés (több hektár) azt jelenti, hogy kissé felhős időben csak néhány napelem (néhány string) kerül árnyékba egy- egy kóbor felhő miatt. Ezt részleges árnyéknak (partial shadow) nevezik. 

(Megjegyzés: részleges árnyék fordul elő akkor is ha például a tetőn, a kémény (vagy más tárgy, villanyvezeték) részlegesen leárnyékolja a napelem néhány celláját.) 

A napelem erőmű inverter rendszerének illik ezt a bonyolult feladatot is kezelni. Az is tapasztalati tény, hogy ilyen nagykiterjedésű napelem parkok egyes helyein (szélen, sorközben, középen) más és más hőmérséklet alakul ki. Ennek oka egyrészt a napelem park saját geometriai szerkezete (sorokba rendezett), a légmozgás más jellegű a sorokkal párhuzamos irányban, mint arra merőlegesen. Másrészt a belső visszaverődések miatti energiatorlódás is kialakulhat. Íly módon -az okok halmozódásával - kár 10-20 C hőmérséklet különbség is kialakulhat. Igy a rendszer egy bizonyos része a magasabb hőmérséklet (negatív teljesítmény TkPmax < 0) miatt kevesebbet termel, hiába azonos a besugárzás.

Hasonló probléma adódik, ha kissé felhős (gomolyfelhő) időben egy nagyobb összefüggő felhő vonul át a naperőmű felett. Az erőmű egyik fele még napsütéses, de a másik fele már a vonuló árnyékkal borított. Ha mindez órákon át folytatódik, igen bonyolult feladatot kell a vezérlésnek megoldani. Anélkül, hogy komolyabban belemennénk az esetek elemzésébe néhány „egyszerűbb” példát mutatunk be illusztráció képpen. (29-32. Ábrák)

Ezekben a bonyolultabb esetekben más matematikai módszereket is érdemes felhasználni. A komplex optimumkeresés biológiából átvett módszerei jól felhasználhatók a nagykiterjedésű részleges árnyékolású napelem parkok elemzésére.

Ilyen matematikai algoritmusok: állatrajok (swarm) csoportos viselkedése (méhek, farkas, bálna, egyedi elemekből álló fizikai vagy biológiai csoportok viselkedése (élelemszerzés, menekülés stb.,).

Érdekességek

Végezetül bemutatunk egy érdekességet. 

Létezik egy olyan „napelem állvány” mely a napraforgó elvén működik. Érzékeli a napfelkeltét és olyan szerkezettel van ellátva mely önmagát kibontja – tányér szerűen kialakított napelemeit kitárja – majd a nap felé fordítja és automatikusan követi a napot. Így mindig optimálisan maximum energiát szolgáltat. 

Jó tanácsok.

• Tisztítsa rendszeresen a napelem felületét
• A tisztítás utáni helyzet mindig jobb, mint előtte volt, tehát pillanatnyi optimumnak tekinthető
• Az is meglepő, hogy ugynazon építő elemek felhasználásával – az átlagoshoz képest - akár 40%-al több energiát leadó rendszert is lehet építeni.
• Érdemes keresni az optimumot, de előnyök többnyire hátrányokkal is párosulnak
• Az albedó értéke is változó, minden anyagra más és más. 
• Kétoldalú napelemek esetében különösen oda kell figyelni a telepítésre és az inverter helyes illesztésére.
• Az még mindig kérdéses a tudósok között, hogy miképpen történik a rajban (swarm) vezető kiválasztása…!

[1] Termohalin áramlat – a 1920-as években Johan Sandström ismerte fel. Ő alkotta meg a termohalin körforgás modelljét. (Agulhas, Golf, Kurosio áramlatok)