Ugrás a tartalomhoz

Megújuló energia

Dr. Horváth József (2011)

5.3. Aktív napenergia hasznosítás

5.3. Aktív napenergia hasznosítás

Az aktív napenergia hasznosítás során aktív hasznosító eszközökkel alakítjuk át a Nap energiáját végenergiává. Az aktív napenergia hasznosításnak két alapvető fajtája terjedt el. Az első esetben a Nap energiáját egy berendezésben (a napkollektorban) közvetítő közeg segítségével hőenergiává alakítjuk át, amelyet épületgépészeti eszközökkel hasznosítunk, ezek az ún. napkollektoros rendszerek. A második esetben pedig a Nap energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítjuk át a berendezésben (a napelemben), amelyet elektrotechnikai eszközökkel hasznosíthatunk. Ezek az un. napelemes rendszerek.

Napkollektoros rendszerek. 

A napkollektoros rendszerek alapeleme a napkollektor, amelynek részei az 5.9. ábrán láthatjuk [5.5].

5.9. ábra - Napkollektor részei [5.5]

5.9. ábra. Napkollektor részei [5.5]


A fényáteresztő lemez feladata a napsugárzás áteresztése a lehető legkisebb veszteséggel, és a hőszigetelés biztosítása az elnyelő (abszorber) és a környezet között. A fedőlemez készülhet üvegből és műanyagból. Az elnyelő lemez (abszorber) feladata a napsugárzás elnyelése és hővé alakítása, valamint a hő átadása a hőhordozó közegnek. A hőszigetelő korlátozza a kollektor hátoldali veszteségét. A hőhordozó közeg lehet levegő, víz, vagy más fagyálló közeg. A légfűtés előnye, hogy nincs fagyveszély, fűtésre közvetlenül felhasználható, hátrány a levegő kis sűrűsége és kis hőátadási tényezője. A víz hőhordozó közeg esetén a felmelegített vizet akár közvetlenül is hasznosíthatjuk használati melegvíz ellátási, vagy fűtési célra (5.10/a. ábra), esetleg kiegészítő forrás felhasználásával (5.10/b. ábra), hátránya a fagyveszély. Az 5.10/c. ábra ábra fagyálló hőhordozó közegként való alkalmazására mutat példát két hőtároló tartály felhasználásával, amely során az elsőben a napenergia melegít a napsugárzás intenzitásának megfelelően, a másodikban viszont egy kiegészítő hőforrás fűt a kívánt mértékig.

5.10. ábra - Napkollektoros hasznosító rendszerek [5.5]

5.10. ábra. Napkollektoros hasznosító rendszerek [5.5]


A napkollektor energia hasznosítását befolyásolja a kollektor szögállása, melynek hatását az 5.11. ábra szemlélteti. Optimális megoldás esetén a kollektor felülete merőleges a napsugárzásra. Rögzített kollektor esetén nyáron a vízszintes elrendezés a kedvező, de télen ez a legkedvezőtlenebb. A dőlésszög növelésével a nyári hasznosítás mértéke csökken, de a téli növekszik, így a hasznosítás kiegyenlítődik.

5.11. ábra - A napkollektorok havi sugárzásnyeresége a dőlésszög függvényében. [5.5]

5.11. ábra. A napkollektorok havi sugárzásnyeresége a dőlésszög függvényében. [5.5]


A kollektorok energetikai hatékonyságát az jellemzi, hogy az A felületű napkollektor En napsugárzás intenzitás mellett mekkora ( ) ̇hőteljesítményt tud a hőhordozó közegnek átadni. A kollektor hatásfoka [5.5]:

(5.1)

5.1. egyenlet -


ahol: ( ) a hőhordozó közeg hőkapacitásárama, Tki, ill. Tbe a hőhordozó közeg ki- és belépő hőmérséklete.

Kollektor típusok: 

  • Nem szelektív síkkollektorok: 

    5.12. ábra - Síkkollektorok felépítése [5.6]

    5.12. ábra. Síkkollektorok felépítése [5.6]


    Üveg, vagy polikarbonáttal fedett, nem szelektív abszorberes (5.12. ábra) kollektor. Könnyen elkészíthető, viszont a szelektív síkkollektorokéhoz képest rosszabb a hatásfoka.

  • Szelektív síkkolektorok: 

    Ez a legelterjedtebb kollektor típus, világviszonylatban 90%-ot tesz ki az eladási adatokat figyelembe véve. A kollektor abszorbere szelektív bevonatú (speciális NiO szelektív hőelnyelő bevonat), és általában egyszeres üvegfedéssel készül.

  • Vákuumos síkkolektor: 

    5.13. ábra - Vákuumos síkkolektor [5.6]

    5.13. ábra. Vákuumos síkkolektor [5.6]


    A kollektor szerkezeti felépítése (5.13. ábra) annyiban különbözik a hagyományos síkkollektorétól, hogy pontszerű támaszokat alkalmaznak az üvegfedés megtámasztására, a fényáteresztő üveglemezt terhelő vákuum szívó hatásának megakadályozására.

  • Vákuumcsöves kollektorok: 

    Ennél a típusnál a hőátadó közeg kettős falú – vákuumos – üvegcsőben kering. A vákuumcsövek két-, a végeinél zárt, koncentrikus üvegcsőből állnak, hasonlóan a háztartási termoszhoz. Az üvegcsövek között magas vákuum van, amely a hőszigetelést biztosítja. A belső üvegcső teljes felülete szelektív hőelnyelő anyaggal, alumínium - nitrittel bevont abszorber. A vákuumcső belső falára préselt hőelvezető lemezen lévő U alakú rézcsőben áramlik a hőátadó folyadék. Az U csövek a hőszigetelt gyűjtődobozban csatlakoznak az osztó-gyűjtő csövekhez.

    A vákuumcsövek alatti kettős parabola tükör az abszorberre koncentrálja a kedvezőtlen szögű és szórt napsugárzást (5.14. ábra). Az egyes csövek, a parabola tükrök és a gyűjtődobozok összeépítve alkotják a vákuumcsöves kollektorokat (5.15. ábra). A kollektorban felmelegített hőátadó anyag hőcserélőkön keresztül melegíti fel a közvetlenül felhasználódó vizet a különféle napenergia hasznosító rendszerekben. Legfőbb előnye, a különösen magas energiahozam, összehasonlítva a hagyományos síkkollektorokkal.

    A hengeres abszorber felület és a CPC koncentrátor (Compound Parabolic Concentrator) a mindenkori napálláshoz és sugárzási viszonyokhoz optimális helyzetet biztosít. Kevésbé irányérzékeny, így ferde tetők mellett lapos tetőkre és homlokzatokra is felszerelhető.

    A vákuumcsövek hatékonyan csökkentik a napkollektorok hőveszteségét; a vákuum jó hőszigetelése miatt télen is jó hatásfokkal működnek. A hőátadó közeg közvetlenül a vákuumcsövekben melegszik fel, direkt áramlással, hőcserélő nélkül. Nagy üzembiztonság és hosszú élettartam jellemzi az alkalmazott nemes anyagok és a korszerű technológia miatt.

    Ideálisan alkalmazható alacsony hőmérsékletű fűtési rendszereknél fűtés rásegítésre.

    5.14. ábra - Vákuumcső szerkezeti elemei [5.7]

    5.14. ábra. Vákuumcső szerkezeti elemei [5.7]


    5.15. ábra - Vákuumcsöves kollektor szerkezete [5.7]

    5.15. ábra. Vákuumcsöves kollektor szerkezete [5.7]


Napelemes rendszerek [5.2]

A napelemek olyan szilárdtest eszközök, amelyek a fénysugárzás energiáját közvetlenül egyenáramú villamos energiává alakítják. Az energiaátalakítás alapja, hogy a fény elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít.

Egy másik meghatározás szerint a fotovillamos elem vagy napelem olyan eszközt jelöl, amely fénysugárzás hatására villamos generátorként viselkedik. Sokféle fotovillamos elem létezik, de a legelterjedtebb a szilícium félvezetőn alapuló elem, amit 50 éve, 1954-ben találtak fel. A napelem fényt alakít villamos energiává (5.16. ábra). Általában ez egy három lépésből álló folyamat:

  1. fényelnyelés, az elektronok gerjesztett állapotba kerülnek,

  2. a pozitív és negatív töltések lokális szétválasztása,

  3. a töltések külső áramkörbe vezetése.

5.16. ábra - Kristályos szilícium napelem keresztmetszete[5.2]

5.16. ábra. Kristályos szilícium napelem keresztmetszete[5.2]


Mivel a napelemet az adott fényviszonyok esetén a lehető legnagyobb villamos teljesítmény termelésére szeretnénk használni, a kinyerhető teljesítmény szempontjából hasznos áttekinteni az elektromos áram-feszültség (I-V) karakterisztika görbéit. Ha a napelem aktuális állapotát jellemző működési pontot (a külső terhelő ellenállás megváltoztatásával) eltoljuk az I-V mentén, a külső terhelésen felszabaduló teljesítmény kiszámolható a működési ponthoz tartozó feszültség és áram értékek szorzataként. Ez látható az 5.17. ábra grafikonján. A teljesítménygörbének egy adott pontban, a maximális teljesítmény pontban (MPP) maximuma van. Erre a pontra jellemző értékek a maximális teljesítmény (PMPP), a maximum pontbeli áram (IMPP) és a maximum pontbeli feszültség (VMPP).

5.17. ábra - A napelem által generált teljesítmény a működési pont függvényeként [5.2]

5.17. ábra. A napelem által generált teljesítmény a működési pont függvényeként[5.2]


A hatásfok () a napelem legfontosabb jellemzője azt mutatja meg, hogy a beeső fény teljesítményének hányad részét alakítja át a napelem villamos energiává.

= a generált villamos teljesítmény / beeső fény teljesítménye

Mivel értékét sokszor százalékosan fejezik ki, a fenti érték ekkor még százzal szorzandó. A elem maximális teljesítménye a maximális teljesítmény pontban (MPP) mérendő, ezt az értéket használják a hatásfok megadásához. Ahogy azt már említettük, a napelem villamos paraméterei a megvilágítástól és a hőmérséklettől is függenek. Általánosan elmondhatjuk, hogy a hatásfok a hőmérséklet növelésével csökken, de a csökkenés mértéke a napelem anyagától függ.

A napelemek különféle anyagokból készülnek, és ezen anyagok különböző elnyelési spektrumúak. Vannak olyan anyagok, amelyek a kék fény hullámhossz tartományába eső sugarakat nyelik el a legjobban, de vannak olyanok, amelyek a zöld, a piros, sőt az infravörös tartományt hasznosítják jobban a Nap spektrumából. Emiatt a besugárzott fény spektrumának definiálása szintén fontos a napelem mérése szempontjából. Összegezve három olyan paraméter van amit a napelem méréskor ismernünk kell: a hőmérséklet, a besugárzás (fényintenzitás) és a fény spektruma. Mivel a napelemek világviszonylatban is összehasonlíthatóak kell, hogy legyenek, szabványosított vizsgálati körülményeket (STC) definiáltak, amit a hitelesítésben részt vevő intézetek mind elfogadtak és alkalmaznak.

Ezek a következők:

•Hőmérséklet: 25 oC
•Besugárzás: 1000 W/m2
•Fényspektrum: 1,5 AM (a függőlegessel 30o-ot bezáró szögben a légkörön átjutó napfény spektruma)

A szabványosított vizsgálati körülmények (STC) között mért maximális teljesítményt csúcsteljesítménynek nevezik, aminek az egysége csúcs-watt (angol: peak-Watt , rövidítve: WP). A csúcsteljesítmény név félrevezető, mert azt sugallja, hogy ez az elem abszolút maximuma. Ez pedig nem igaz, mert például nagyobb besugárzással, vagy 25 oC-nál alacsonyabb hőmérséklet esetén nagyobb teljesítményszint is elérhető.

5.18. ábra - A kitöltési tényező definíciója [5.2]

5.18. ábra. A kitöltési tényező definíciója [5.2]


Egy napelem jellemző adatai az 5.18. ábrán láthatók. A teljesítmény egy idealizált felső határa az A területtel jellemezhető (VOC és ISC szorzatával), míg a tényleges maximális teljesítmény a B területtel, (VMPP és IMPP szorzatával). Az A és B területek hányadosaként egy új jellemzőt, a kitöltési tényezőt (FF) definiálhatjuk:

(5.2)

5.2. egyenlet -


A kitöltési tényező a napelem fontos jellemzője. A napelem belső veszteségeit írja le és az alkalmazott anyagok és gyártási eljárások minőségét jellemzi. A jónak számító kitöltési tényező 0,85 körül van egykristályos szilícium esetén, de vékonyréteg napelemek esetén 0,7 vagy ennél kisebb érték is lehet.

Sokféle félvezető használható fel napelem gyártásra, és manapság sokféle anyagot, szerkezetet és gyártástechnológiát fejlesztenek is. A különböző technológiák értékelésére több feltétel teljesülését kell vizsgálnunk, amelyek közül a legfontosabbak:

•nagy hatásfok lehetősége,
•a felhasznált anyagok rendelkezésre állása,
•az anyagok elfogadható ára,
•alacsony termelési költségű technológiai lehetősége,
•termék időbeli stabilitása (évtizedek),
•környezetbarát termék és a termelési technológia.

Manapság a piacon a szilícium alapanyagú napelemek dominánsak, kristályos szilícium a szelet technológiával készült cellákban és amorf szilícium a vékonyréteg technológia esetén. Ennek ellenére több olyan ismert anyag van, amely potenciálisan csökkenti az árát és jó eséllyel kap szerepet a jövőben a vékonyréteg technológiában. A legfontosabb anyagok az 5.19. ábrán láthatóak.

5.19. ábra - A napelemek gyártásában használatos anyagok [5.2]

5.19. ábra. A napelemek gyártásában használatos anyagok [5.2]


A legtöbb napelemet kristályos szilíciumból készítik, és ezek felépítése nagyon hasonló a szilícium alapú eszközök, például az egyenirányító diódák felépítéséhez. A technológia szilícium lemezeket használ, s emiatt szelet technológiának nevezik. Az előnye, hogy önhordó, hátránya, hogy nagy mennyiségű, drága, félvezető minőségű alapanyag kell hozzá. A vékonyréteg technológiával készült napelemekhez csak nagyon vékony réteg (néhány m) félvezető anyag kell, és a hordozóanyag általában nagyon olcsó, pl. (nátron) üveg. A vékonyréteg technológiának számos előnye van: nagy felületű félvezető réteget lehet kristályosítani egyidejűleg, és a félvezetőnek a szigetelő felületen való kristályosítása lehetővé teszi az úgynevezett monolitikus integrációt. Ezen technológia során a napelemet kis egyedi elemekre osztják és egy háromlépéses (elválasztás és kristályosítások egymásutánja) eljárásban a különálló elemeket sorba kötik. Ez a módszer nagy változatosságot tesz lehetővé adott villamos paraméterű modulok gyártására.

Még egy különbség van a szelet és a vékonyréteg technológiával készült napelemek között. A szilícium napelemek pn átmenetét általában egy adalék anyag diffúziójával hozzák létre az alapanyag felületében. A vékonyréteg technológiánál a különböző rétegek egymást követő kristályosításával hozzák létre a határréteget, sokszor különböző anyagokat használva az átmenetekben (hetero átmenet).

A vékonyréteg technológiánál kétféle lehetőség van az átlátszó elektródák kialakítására, az alap- vagy fedőréteg. Ha az alapréteg nem átlátszó (fémréteg vagy hátsó fémkontaktus), az első kontaktusnak kell átlátszónak lennie. A legtöbb esetben ezt állandó oxid réteggel valósítják meg az elem felső lapján, amit átlátszó üveglap véd (hordozó alaplap technológia).

Ha az alap átlátszó, valamilyen okból kifolyólag (átlátszó oxiddal borított üveglap), az elemet kikristályosítják, és átlátszatlan fémlappal fedik. Ezután az elrendezést megfordítják és az addigi alapon átjön a fény (hordozó fedőlap technológia).

A nap spektruma sokkal szélesebb, mint egy félvezető abszorpciós sávja, ez az egyik oka a napelemek behatárolt hatásfokának. A 5.20. ábra megoldást mutat erre a problémára: különböző anyagok kombinációjából felépített elem sokkal jobban tudja abszorbeálni a fényt, mint egy egyszerű elem. Az elemek kombinálására különböző technikákat dolgoztak ki a mechanikai összeillesztéstől (egymásra helyezéstől) a különféle elemeknek a rétegenkénti kristályosításáig egyazon hordozóra.

5.20. ábra - Háromrétegű amorf szilícium napelem [5.2]

5.20. ábra. Háromrétegű amorf szilícium napelem [5.2]


Az optimális besugárzásra beforgatott napelem-modul sem fog mindig teljesítményt szolgáltatni, mivel a besugárzás mértéke több okból is változhat, lecsökkenhet (pl. lemegy a Nap vagy eltakarják a felhők stb.).

Mivel a fogyasztóinkat folyamatosan szeretnénk üzemeltetni, viszont a napelem nem tud folyamatosan energiát biztosítani, valamilyen átmeneti energiatároló puffert kell alkalmaznunk a rendszerben, amivel áthidalhatjuk az alacsonyabb napfény-intenzitású időszakokat. A villamos energia hasznosításának egyik útja, amikor invertert alkalmazunk. Az inverter a napelem egyenáramát váltakozó árammá alakítja át, és visszatáplálja a hálózatba. A visszatáplálás természetesen a hálózat periódusával szinkronizálva lehetséges.

Problémát jelent a begyűjtött villamos energia tárolása. Ennek az az oka, hogy az energiát sokszor éppen akkor szeretnénk felhasználni, amikor az a napsugárzás hiánya miatt nem áll rendelkezésre, vagy fordítva, akkor van energiahozam, amikor nincs igény a felhasználásra. A napelemek által szolgáltatott villamos energiát legegyszerűbben akkumulátorokban tárolhatjuk.

Olyan felhasználó esetén, ahol van villamos hálózat, nem szükséges a napból érkező energiát akkumulátorban tárolni, mert lehetőség van az áram közüzemi hálózatba történő visszatáplálására. Ez a megoldás látható a 5.21. ábrán. A visszatáplált energia mennyiségét mérik és időszakonként elszámolnak vele. Jelenleg Magyarországon éves periódusú az elszámolás.

5.21. ábra - Közvetlenül hálózatra van kapcsolt napelem [5.2]

5.21. ábra. Közvetlenül hálózatra van kapcsolt napelem [5.2]


Amennyiben napelem rendszerünk teljesítménye nem haladja meg az 5 kW-ot, úgy az áramszolgáltató ugyanazon az áron veszi tőlünk vissza az elektromos áramot, mint amennyiért ő adja nekünk, ha nem lépjük túl saját fogyasztásunkat, akkor nekünk csak a különbözetet kell megfizetnünk.

Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy napközben, amikor jellemzően nem vagyunk otthon, a napelem rendszer betáplál a hálózatba, este pedig mikor otthon vagyunk és a legtöbb energiát használjuk, de már nem süt a nap, egyszerűen elfogyasztjuk, a napközben napelem rendszerünk által megtermelt áramot, amit addig úgymond a közüzemi hálózatban tároltunk. Elszámoláskor mi csak azt a különbözetet fizetjük, amennyivel többet fogyasztottunk az általunk termelt energiamennyiségnél. Ha 5 kW feletti napelem rendszert telepítünk az áramszolgáltató átveszi tőlünk a teljes árammennyiséget, s fizet is érte nagykereskedelmi áron. Ez a megvalósítás látható az 5. 22. ábrán.

5.22. ábra - Általános alkalmazási mód [5.2]

5.22. ábra. Általános alkalmazási mód [5.2]


Sok olyan felhasználói igény van, ahol nincs bevezetve az áramellátás (sziget üzem), így ebben az esetben valamilyen formájú energiatárolás szükséges, hogy naplemente után az „elraktározott” energiát használhassuk. Ez látható a 5.23. ábrán. A napelemek által szolgáltatott 16-42 V egyenfeszültséggel, egy töltésszabályozási feladatot is ellátó inverteren keresztül akkumulátor-telepet töltünk. Az akkumulátorok használatával jelentős mennyiségű villamos energiát tárolhatunk a későbbi felhasználási időszakra. Csak speciális akkumulátorok alkalmasak a napelemes rendszerek jellemzően sok ciklusból (feltöltés-kisütés) álló használatra.

5.23. ábra - Sziget üzemű napelem [5.2]

5.23. ábra. Sziget üzemű napelem [5.2]