Napelemes rendszerek valós körülmények között I. - Hőpajzs funkció

Monokristályos, polikristályos vagy vékonyfilmes modulokat alkalmazzunk? Napkövető rendszer vagy fix telepítésű legyen, és milyen tájolások lehetségesek? Ezek gyakori kérdések, melyeket általában újabbak követnek majd. A kérdések korrekt megválaszolása szakértelmet igényel, ezért érdemes a napelemgyártók, a napelemes rendszerintegrátorok vagy a gyártóktól független tervező és minőségellenőrző szakemberek tudásalapú szolgáltatásaira támaszkodni az önálló ismeretszerzésen kívül.

A cikksorozat célja, hogy az ismeretszerzésen túlmenően gyakorlati ismeretekkel gazdagítsa a tisztelt olvasókat, és elősegítse döntéshozatalukat. Alapvetően kétféle napelemes rendszer létezik: a már megvalósított, és az, amelyiket még csak meg fognak valósítani. Ezért érdemes a lehetséges hibaforrásokon előre elgondolkodni, azokat lehetőleg előrelátóan kizárni.

Ehhez ismeretekre van szükség. Jelenleg a napelemes rendszerek (a már megvalósított vagy tervezett rendszerek) esetében az energiatermelési hozamokat csak megközelítő számításokkal lehet prognosztizálni, statisztikai időjárási adatokra támaszkodva (OMSZ adatok), feltételezve a várható időjárás alakulását, azaz a napos és borús órák számának alakulását egész évben (1. ábra). Nem várható el a napenergetikai szakemberektől (sem önmagunktól), hogy hosszú távra abszolút pontos számadatokkal szolgáljanak az energiahozamokat illetően, hiszen az időjárási körülmények állandóan változnak.

De kijelenthető, hogy a valós hozamokat a napelemes rendszerek műszaki adottságai, valamint a valós működési környezeti és időjárási körülmények együttesen fogják meghatározni. Fontos tény, amire minden napelemes rendszer esetében fokozottan figyelni kell – a rendszer „leggyengébb láncszeme” fogja meghatározni a végleges teljesítményt, azaz elég akárcsak egy hibás, részben vagy egészében beárnyékolt, avagy az előírttól eltérő teljesítményű modul a „füzérben” és oda a várt hozambőség. Mire támaszkodnak a napenergetikai szakemberek tervezői munkájuk során? Milyen tényezőket kell figyelembe vennünk a napelemes rendszerek tervezésénél?

Elsősorban alapismeretekre, mint a Nap elektromágneses sugárzásának ismeretére (napfizika), a Föld légkörének és hatásának ismeretére (légkörfizika), a földfelszín és környezeti elemek tulajdonságainak ismeretére (geofizika) a napelemekben alkalmazott félvezető anyagok tulajdonságainak ismeretére (félvezetők fizikája), a napelemek és az alkalmazott felületi anyagok (front- és hátoldali) optikai tulajdonságainak ismeretére (optika, spektrográfia), a napelemmodulok hőtechnikai tulajdonsá- gainak és hőháztartásuk ismeretére (hőtan, termográfia), a napelemek elektromos és mecha-nikai tulajdonságainak ismeretére (elektromosságtan és anyagfizika), és még sorolhatnánk, de egyszerűbb, ha kiemeljük a legfontosabbakat, a napelemcella spektrális érzékenységét és konverziós hatásfokát, valamint működésének hőmérsékletfüggőségét.




A minősített gyártók rendelkeznek saját kutató-fejlesztő laborokkal, melyekben a fentebb említett ismeretekre támaszkodva termékfejlesztéseket végeznek. A kedves vásárlók ennek a munkának az eredményeit ismerhetik meg a termékek műszaki specifikációit olvasva, ahol feltüntetik, hogy a paraméterek értékei szabványos laboratóriumi körülmények között végzett mérésekre igazak. Ezt szerényen STC rövidítéssel (Standard Test Conditions) jelölik (értve ezalatt, hogy az irradiáció 1000 W/m2, a modul hőmérséklete 25 °C és a fény spektruma AM 1,5 szabványos). Természetesen szinte kizárt, hogy a valós életben ezek a laboratóriumi feltételek előálljanak. Erre a fejlesztők is rájöttek, így manapság egyre több gyártó adja meg a termékeire vonatkozó paramétereket, a valós körülményeket jobban megközelítő feltételeknek megfelelően, amikor végre nem azt tételezzük fel, hogy a napelemmodul cellahőmérséklete a tűző napon csak 25 °C, hanem hogy annál melegebb.

Az új jelölés a NOCT (Nominal Operating Cell Temperature), ami a cella vagy modul átlag 45 °C hőmérsékletére utal, ha az irradiáció 800 W/m2, a környezeti hőmérséklet 20 °C, a spektrum AM 1,5, a szélsebesség 1 m/s és a modul déli irányban 45° dőlésszöggel van tájolva. El kell ismerni, ez már valóban jobb megközelítés, de hol vagyunk még a valóságtól, ugyanakkor sejtetik velünk, hogy a napelemek működése erősen hőmérsékletfüggő (főleg igaz ez a kristályos napelemekre), hiszen rendre megadják, hogy milyen mértékben csökkennek a napelemek főbb elektromos paraméterei, ha a hőmérsékletük 1 °C-kal emelkedik – tehát fontos szempont a modulok hőmérsékletének alakulása valós körülmények között.

Vizsgáljuk meg a napelemek adottságait, mint energiatermelő generátorokét, a teljesség igénye nélkül, de kiemelve a számunkra fontosakat. A napelemek fotovoltaikus eszközök, azaz fényenergiát alakítanak át közvetlenül elektromos energiává, tehát a működésükhöz fényre van szükség. Csakhogy nem akármilyenre, hanem olyanra, melynek a spektrumában megvannak azok az elektromágneses hullámok, melyekre érzékenyek a napelemekben alkalmazott félvezetők. Sajnos a spektrum többi része, amit a napelemmodul nem konvertál, jelenleg a napelemek felesleges felmelegedését okozza, és hatásfokcsökkenéshez vezet (erről bővebben a cikksorozat következő részeiben olvashatnak).

■ A Nap elektromágneses energiasugárzási spektruma
A Napból a Földre érkező elektromágneses sugárzás széles spektrumú, a napenergia-hasznosítás szempontjából a napsugárzásnak a földfelszín egységnyi felületére egységnyi idő alatt merőlegesen beeső energiamennyiségének van jelentősége, számszerűen ez 1376 W/m2 (napállandó), amit közepes Nap-Föld távolságra (1 CsE – csillagászati egység, közel 150 millió km) értelmezünk, feltételezve, hogy a légkörünk a napsugárzás teljes elektromágneses tartományára áteresztő.

A spektrum jelölése AM 0. A valóságban a légkör elnyeli (abszorbeálja), viszszatükrözi (reflektálja) és széjjelszórja, reemittálja (diffúzió) a napsugárzás egy részét, így a földfelszínt merőlegesen, tiszta égbolt esetén globál 1000 W/m2 besugárzás éri (besugárzás intenzitása, nem tévesztendő össze a sugárzási energia, más néven irradiáció avagy energiasűrűség fogalmával, amit kilowattórában mérünk), a megváltozott (gyengült) spektrum jelölése AM 1. A tájolt és döntött felületre érkező spektrum az AM 1,5 jelölést kapta. A földfelszín a maga változatosságával és a rajta lévő tereptárgyak felületével egyetemben sugárzásvisszaverő képességgel rendelkezik a légkör felé, ezt nevezzük albedónak (az abszolút fehér test albedója 1, az abszolút fekete testé 0), amit oly sokszor megcsodálhatunk az űrből készült Föld-felvételeken.



Összegezve tehát ildomos globál sugárzásról beszélni a napenergetikában, melynek komponensei a direkt napsugárzás és a légkörünk által szórt, tükrözött és reemittált (diffúz) sugárzása (beleértendő az albedónak nevezett földfelületről visszatükrözött sugárzás is). A légkörünk látható emittált sugárzási képességére jó példa a sarki fény, bár annak oka a Napból érkező nagy energiájú részecskék, a Földünk mágneses tere és a légkörünk kölcsönhatásában keresendő. Közép-Európában a globális sugárzás diffúz komponensének jut főszerep az időjárási megfigyelési adatok alapján. Tehát olyan napelemeket kell választanunk, melyek a direkt sugárzáson kívül az égbolt diffúz sugárzását is jól hasznosítják, annál is inkább, mert a diffúz sugárzásért felelős aerosolrészecskék száma légkörünkben az emberi civilizáció tevékenységének köszönhetően folyamatosan nő. Megjegyzés – a légkör diffúz sugárzása alatt a napfény reemittált sugárzását (fényszórást) értjük, a légkört alkotó anyagok részecskéi a rájuk eső fényt elnyelik és újra kisugározzák (lásd fotonika).

Szeretném felhívni az olvasók figyelmét arra a tényre, hogy a 47,50 szélességi körön a csillagászatilag lehetséges napfénytartam 4448 óra/év, ezzel szemben a napos órák száma az OMSZ (eddigi) adatai alapján 2000 óra/év. Nem tűnik fel senkinek a 2448 óra/év különbség, ami a szórt fényre esik? Pedig jelenleg (és várhatóan a jövőben is) ez dominál környezetünkben. A spektrum szélesebb kihasználására ad lehetőséget a többrétegű napelemcella, melyben minden rétegnek megvan a maga sajátságos érzékenysége. Az utóbbi időben a kutatások ebben az irányban mutatnak jelentős sikereket, az elért maximális hatásfok koncentrátoros több-rétegű napelemcellával 43,5%. És még egy kis kitérő, gondolatban – a természetben nemigen látni fákat, melyeknek egyoldalas lombkoronája vagy egyirányú levélzete lenne, a növényzet „rájött elég régen, hogy kerülendő az erős direkt besugárzás, és jobb az égbolt minden részéből érkező mérsékelt diffúz”.

3. ábra A háztetőre helyesen telepített napelemes rendszer „hőpajzsként” képes védeni a forró nyári napokon, ezzel csökkentve a tető és épület felhevülését, amit a termográfiai felvételek is igazolnak.3. ábra A háztetőre helyesen telepített napelemes rendszer „hőpajzsként” képes védeni a forró nyári napokon, ezzel csökkentve a tető és épület felhevülését, amit a termográfiai felvételek is igazolnak.
Talán ezt a természet adta útmutatást kellene mindinkább figyelembe venni a napenergia-hasznosítás során, aminek már vannak jelei, hiszen a korábban csak déli tájolású napelemes rendszerek mellett kezdenek megjelenni a kelet-nyugati tájolású rendszerek, főleg sík tetőfelületeken telepítve (egy későbbi részben fogunk foglalkozni vele behatóbban). Nézzük meg a 6. ábrát: a felvétel látványos. Látható a kelet-nyugati „delta” elrendezése a napelemmoduloknak, a tetőfelület így maximálisan kihasználható. Megjegyzem, ezt az elrendezést a vékonyfilmes napelemmodulokhoz fejlesztették ki elsősorban, melyek kevésbé érzékenyek az árnyékhatásokra, túlhevülésre, és „belekóstolnak” az infravörös energiahasznosításba.

Összegezve a fentieket, napelemes rendszereket optimálisan megválasztott típusú modulokkal lehet telepíteni a háztetőkre, jó energiatermelési hozammal számolva nemcsak déli tájolással. És elérkeztünk a családi napelemes kiserőmű telepítésének környezeti adottságai témakö- réhez, annak egyik legfontosabb eleméhez, a háztetőhöz, melyet a rá helyesen telepített napelemes rendszer „hőpajzsként” képes védeni a forró nyári napokon, ezzel csökkentve a tető és épület felhevülését, a légkondicionálás üzemeltetési költségeit, amit a termográfiai felvételek is igazolnak (3. ábra). A felvétel alapján a nyári napsütésben az adott cserepes tető hőmérséklete eléri az 50 °C-ot (lilás szín). A felvétel elgondolkodtató. Mivel magyarázható ez a magas hőmérséklet? A magyarázat alapját a napsugárzás tartományai adják, az energia eloszlása a Nap sugárzási spektrumában (a teljes spektrum értendő ezalatt, a röntgensugaraktól a rádióhullámokig), az energia eloszlása a napfény látható tartományában, és az építőipari anyagok fizikai tulajdonságai.

4. ábra: Mi történik, hogyan változik a tetőrész hőmérséklete, ha napelemeket telepí- tünk a tetőre? A választ egy termográfiai felvétel szolgáltatja.4. ábra: Mi történik, hogyan változik a tetőrész hőmérséklete, ha napelemeket telepí- tünk a tetőre? A választ egy termográfiai felvétel szolgáltatja.
A napsugárzás légkörünk felső határán az alábbi energiatartományokra osztható:
■ röntgen- és ibolyántúli sugárzás, részaránya 9%,
■ látható fény tartománya, részaránya 47%,
■ nem látható infravörös (hő) sugárzás, részaránya 42%,
■ rádióhullám-tartomány, részaránya 2%.

A napenergia-hasznosítás szempontjából a látható és az infravörös tartomány energiáinak a kihasználása lehetséges, ebből a fotovoltaikus generátorok döntő többsége jelenleg csak a látható fény tartományának egy részét hasznosítja, holott hatalmas energetikai potenciál rejlik az infravörös tartományban. Mi történik, hogyan változik a tetőrész hőmérséklete, ha napelemeket telepítünk a tetőre? A választ egy termográfiai felvétel szolgáltatja (4. ábra).


A telepített 20 kWp napelemes rendszer hőpajzs funkciója jól látszik, így a tetőfelület hőmérséklete 40 °C átlag (a zöldes-sárgás színű modulok jól kivehetően láthatók) lett (az épületenergetikában a 10 °C csökkenés jelentős hűtési költség-megtakarítást eredményez (köztudott, hogy az épületek hűtésére nyáron többet költünk, mint fűtésükre télen). A napelemek hőpajzs funkciója annak köszönhető, hogy útjába állnak a napsugárzásnak, anyaguk elnyeli és átalakítja elektromos energiává a beeső fény egy részét (lásd spekt-rális érzékenység), de a nem hasznosított sugárzás (a látható fény spektrumának jelentős része, valamint az infravörösnek a teljes része) a napelemek jelentős felmelegedését okozza.

6. ábra Látható a kelet-nyugati „delta” elrendezése a napelemmoduloknak, a tetőfelület így maximálisan kihasználható. 6. ábra Látható a kelet-nyugati „delta” elrendezése a napelemmoduloknak, a tetőfelület így maximálisan kihasználható.
Természetesen igyekeznek spektrálisan szelektív felületekkel a nem hasznosítható napsugárzást visszatükrözni (a szolár üvegfelület már önmagában is tükröző felülettel rendelkezik), csökkentendő a modulok felmelegedését. Jelenleg ez egy köztes állapot, hiszen a cél az, hogy a fejlesztés alatt álló napelemek minél nagyobb spektrális tartományt hasznosíthassanak a jövőben.

A napsütés útjába álló fotovoltaikus napelem modul „telibe kapja” a felületére érkező teljes globális spektrumot. Ebből csak átlag 15%-ot hasznosít, alakít át egyenárammá, 85%-a az energiának a modul melegedését okozná, ha nem lenne egy közel 10%-os visszatükrözés.

Lehet, hogy bátornak hangzó kijelentés, de véleményem szerint a jövőben a napelemmezők tükröző felülete ellensúlyozni fogja a sarkvidéki jég olvadásával járó napsugárzás visszatükrözésének jelenlegi csökkenését (ami a globális felmelegedés egyik komponense). Másodlagos, de nem kevésbé fontos a napelemek szempontjából sem az, hogy a napelemmodulok és a tető síkja között a helyes távtartásnak köszönhetően természetes, a tetőt és napelemeket hűtő állandó léghuzat alakul ki.

Ezt a „kémény huzat” jelenséget az épületek természetes hűtésére az építőipar mára már felfedezte és alkalmazza. A napelemek félvezető anyagának viselkedése sajnos hőmérsékletfüggő, és elmondható, hogy minél magasabb az üzemi hőmérsékletük, annál kisebb az elektromos energiatermelésük (hozamuk).

Sajnos a természetes léghűtés a legtöbb esetben nem elegendő ahhoz, hogy a napelemmodulok hőmérsékletét 45 °C alatt tartsa, ezért kísérleteznek sok helyen kényszerhűtéses megoldással, pl. egy egységgé szerelik a napelemmodulokat és napkollektorokat, de ez már egy másik cikk tartalma.

ÍRTA: DEMJÉN ZOLTÁN FIZIKUS, TUDOMÁNYOS SZAKTANÁCSADÓMonokristályos, polikristályos vagy vékonyfilmes modulokat alkalmazzunk? Napkövető rendszer vagy fix telepítésű legyen, és milyen tájolások lehetségesek? Ezek gyakori kérdések, melyeket általában újabbak követnek majd. A kérdések korrekt megválaszolása szakértelmet igényel, ezért érdemes a napelemgyártók, a napelemes rendszerintegrátorok vagy a gyártóktól független tervező és minőségellenőrző szakemberek tudásalapú szolgáltatásaira támaszkodni az önálló ismeretszerzésen kívül.

3. ábra A háztetőre helyesen telepített napelemes rendszer „hőpajzsként” képes védeni a forró nyári napokon, ezzel csökkentve a tető és épület felhevülését, amit a termográfiai felvételek is igazolnak.

4. ábra: Mi történik, hogyan változik a tetőrész hőmérséklete, ha napelemeket telepí- tünk a tetőre? A választ egy termográfiai felvétel szolgáltatja.

6. ábra Látható a kelet-nyugati „delta” elrendezése a napelemmoduloknak, a tetőfelület így maximálisan kihasználható.