Michael Debreczeni „Minden ember élete kísérlet, hogy eljusson önmagához. Minden ember élete egy ösvény sejtése. Senki sem volt még teljesen és maradéktalanul önmaga, mégis mindenki igyekszik önmaga lenni, ki tapogatózva, ki tudatosan, ki ahogyan éppen tud.” (Hermann Hesse)
A fotovoltaikus energia ismertetése és alkalmazása kompetens partnerrel ISBN 978-963-08-4550-2 Kiadja Greentechnic Hungary Kft. Második kiadás Készült: 2012 július Nyomda Digital Nyomda Kft. A szerző fenntart minden jogot, beleértve a sokszorosítást, a könyv bővített, illetve rövidített változata kiadásának jogát is. A szerző irásbeli hozzájárulása nélkül sem a teljes könyv, sem annak része semmiféle formában (fotokópia, mikrofilm, internetes vagy más hordozó) nem sokszorosítható. A könyvet és annak tartalmát oktatási intézményekben valamint tanfolyamokon oktatási jelleggel felhasználni szerzői engedélyezés nélkül nem megengedett.
Tartalomjegyzék
Bevezető ................................................................................................ 14 Az energiastratégia ........................................................................................................................ 14
A napelem története............................................................................... 16 A világ energiafelhasználása ......................................................................................................... 19 Fenntartható fejlődés ..................................................................................................................... 20 Környezeti tér méltányos felosztása .............................................................................................. 20 Energia típusok meghatározása .................................................................................................... 21 A kétfajta energia ........................................................................................................................... 21 A napsugárzás fizikája ................................................................................................................... 22 Nagy napenergia potenciál ............................................................................................................ 23
Áramtermelés napenergiával ................................................................. 24 A napenergia alkalmazás előnyei .................................................................................................. 25 Nagyot álmodtak a napenergia hívei (DESERTEC-projekt) .......................................................... 26 Aktív napenergia-felhasználás....................................................................................................... 26 Passzív napenergia-felhasználás .................................................................................................. 27 Zöld lábnyom ................................................................................................................................. 27 Akiknek, amiért ajánljuk a fotovillamos energia alkalmazását....................................................... 27
A napenergia mennyisége Magyarországon.......................................... 28 Energiamegtakarítás...................................................................................................................... 29 Néhány tipp amivel csökkenthetjük az energiára fordított pénzkiadásainkat. ............................... 29 Standby (készenléti üzemmód) ..................................................................................................... 30 Hatékonyabb belső világítás.......................................................................................................... 30 Hatékonyabb közvilágítás .............................................................................................................. 30 Olcsóbb villamos áram beszerzés ................................................................................................. 30 Napállandó..................................................................................................................................... 31 A napsugárzás földi energiamérlege ............................................................................................. 32 A Nap állása és a Nap spektruma ................................................................................................. 33 Air Mass, AM.................................................................................................................................. 34 A Nap pályája, -kulminációja, -spektruma ..................................................................................... 36 A globális sugárzás éves járása a dőlt felületre ............................................................................ 39 A modul beállításától (dőlés és tájolás) függő energiahozam ....................................................... 40 Energiahozam – tájolási/dőlési szög ............................................................................................. 40 A napsugárzás erőssége a Föld felszínén..................................................................................... 41 A szolártechnikában alkalmazott szögmeghatározások................................................................ 42 A napsugárzás erőssége és a földrajzi szélességi fok függvénye ................................................ 43 Napsugárzás erőssége Magyarországon ...................................................................................... 44 Magyarországi napenergia hasznosítás ........................................................................................ 46 A felhasznált megújuló energiahordozók megoszlása .................................................................. 46
A szilícium kristályos napelemes cella felépítése .................................. 47 A két típus ...................................................................................................................................... 47 N-típus............................................................................................................................................ 49 P-típus............................................................................................................................................ 49 Más félvezető anyagok szolárcellák részére ................................................................................. 50
A szilícium kristályos napelemes modulok felépítése ............................ 52 A napelemes modulok teljesítménye ............................................................................................. 55 Standard-tesztfeltételek (STC) ...................................................................................................... 55 Mit jelent tulajdonképpen a Kilowatt Peak (KWp)......................................................................... 56 Teljesítményszórás a hőmérséklet függvényében ........................................................................ 56 A napelemes modulok termikus tulajdonsága ............................................................................... 57 Teljesítményképesség és modulhatásfok...................................................................................... 62 A hatásfok számítása..................................................................................................................... 63 A napelemes rendszerek felületigénye.......................................................................................... 63 A szolárcella egyszerű kapcsolási rajza ........................................................................................ 64 A szolárcella feszültsége és áramerőssége .................................................................................. 65 Egy 96 cellás szilícium monokristályos modul felépítése .............................................................. 65 Egy fotovoltaikus cella jelleggörbéje.............................................................................................. 68 Hőmérsékletemelkedés és az éves energiahozamcsökkenés ...................................................... 69 Modulok kapcsolási lehetősége, generátorok, generátorkapcsolás.............................................. 70 2
String diódák, string biztosítékok, generátor kapcsolószekrények................................................ 71 MPP (Maximum Power Point)........................................................................................................ 73 Szükséges PV-felület..................................................................................................................... 74
A fotovoltaikus rendszer elemei ............................................................. 76 Modul ............................................................................................................................................. 76 Töltésszabályzó ............................................................................................................................. 78 Inverter ........................................................................................................................................... 79 Az inverter optimális felállítási helye.............................................................................................. 81 Inverter összehangolása 180Wp-es napelemes modullal ............................................................. 81 Akkumulátor ................................................................................................................................... 82 Gondozásmentes napelemes akkumulátorok ............................................................................... 83 Modultartó konstrukció................................................................................................................... 84 Lapos tetős konstrukció ................................................................................................................. 84 Dőlt tetős konstrukció..................................................................................................................... 86 Szabadon álló állványos konstrukciók rögzítése ........................................................................... 87 Cölöpös kivitelezés - szolárpark ................................................................................................... 87 Földkábelezési technológia ........................................................................................................... 90 Védőkerítés.................................................................................................................................... 92 Építési logisztika ............................................................................................................................ 93 Trakeres kivitelezés – szolárpark .................................................................................................. 93 A terep természeti adottsága......................................................................................................... 94 A szolárgenerátor földelése ........................................................................................................... 94 SMA földelési szett egy trafós inverter számára ........................................................................... 94 Rendszervédelem, biztosítások..................................................................................................... 95 Rendszer-teljesítmánygarancia ..................................................................................................... 96
A napelemek telepítése épületre............................................................ 97 A hálózatra kapcsolt (grid-connected) PV-rendszer elve ....................... 99 Fix felállítású rendszer: egyszerű és gyors szerelésű ................................................................... 99 Cölöpözési technika..................................................................................................................... 100 A terep statikája ........................................................................................................................... 101 Napkövetős rendszer: energianyereség trakeres rendszerrel..................................................... 101 Kockázatok mérlegelése a napkövető rendszereknél ................................................................. 104 Napjárás különböző évszakokban polárdiagramban ábrázolva .................................................. 108 Nappálya a különböző évszakokban ........................................................................................... 109
Szigetüzemű (stand-alone) PV-rendszer elve...................................... 110 Figyelembe veendő szempontok a helyszín adottságaira alapozva ........................................... 110 Hogyan méretezzünk egy szigetüzemű napelemes rendszert? .................................................. 111 A szigetüzemű PV-rendszer alkalmazási lehetőségei................................................................. 112 Akku kapacitása és annak jellemzői ............................................................................................ 113 Az akkumulátorok vizsgálatának környezeti feltételei ................................................................. 114 Példaösszeállítás egy kis hétvégi ház napelemes villamosenergia ellátására............................ 114 Napelemes rendszerek katonai célú alkalmazása ...................................................................... 115
A napelemes rendszer tervezésének kinduló adatai............................ 117 Az első fő kérdések...................................................................................................................... 117 Kiinduló alapadatok...................................................................................................................... 117 A kiinduló egyenletek ................................................................................................................... 118 Természetes sarokdatok a rendszerszámításhoz ....................................................................... 120
A napelemes rendszer tervezése és méretezése lépésről lépésre...... 123 Folyamatábra ............................................................................................................................... 123 Tetőformák és –adatok ................................................................................................................ 124 A modulok szerelési lehetőségei ................................................................................................. 125 Tetőre-, tetőbe szerelés ............................................................................................................... 125 Épületsíkba integrált fotovoltaik ................................................................................................... 127 Szabad területen történő telepítés............................................................................................... 130 Napkövetős, trakeres kivitelezés ................................................................................................. 132 Fix rendszer cölöpeinek korrózióvédelme ................................................................................... 134 Napelemes rendszer földelése a meglévő villámhárító rendszerrel............................................ 134 Épületre telepített napelemes rendszerek villámvédelme ........................................................... 135 Túláram elleni védelem................................................................................................................ 137 Az öt „arany” szabály ................................................................................................................... 138 3
A fotovoltaik rendszer kábelveszteségének számítása (DC-oldal, string)................................... 139 A fotovoltaik rendszer kábelveszteségének számítása (AC-oldal).............................................. 140 Kábelveszteség számítása (SMA)............................................................................................... 141 Rendszerméretezés az áramszolgáltató előírása szerint............................................................ 143 Egyenlőtlen fázisterhelés ............................................................................................................. 143 Rendszerkiegészítő elemek......................................................................................................... 147 A komplett rendszer távfelügyelettes tervezése .......................................................................... 147 Rendszerfelügyelet ...................................................................................................................... 149 Internet és számítógép ................................................................................................................ 152 Karbantartás, inspekció, (táv)felügyelet....................................................................................... 154 Rekultivációs-, kártalanítási munkák ........................................................................................... 155
Árnyékolási elemzés ............................................................................ 155 Elemzési lehetőség...................................................................................................................... 156 Leárnyékolási tényezők ............................................................................................................... 160 A magassági szög helyzetének meghatározása és fontossága.................................................. 162 A Nap pályájának jelentősége ..................................................................................................... 164 Árnyékolás elemzése és számítása ............................................................................................ 167 Árnyékolás számítása: Schletter - árnyékolás elemzés .............................................................. 168 PV*SOL® Expert 5.0: Árnyékolás elemzés kezdőknek és profiknak ........................................... 172 3D Solarwelt: virtuális napelemes rendszer privát és profik részére........................................... 173
Energiaprofil ......................................................................................... 176 Mit hoz egy saját napelemes rendszer? ...................................................................................... 178 De akkor mit is ad a napelemes rendszer nekünk?..................................................................... 178
Az uniós és a magyar fogyasztók ........................................................ 178 Energetikával kapcsolatos preferenciák ...................................................................................... 178 A napenergia mint innováció ....................................................................................................... 179 Az ipari fogyasztók....................................................................................................................... 179 Lakossági fogyasztók................................................................................................................... 180 A közszféra .................................................................................................................................. 182 A hálózatra csatlakozás feltételei, törvényes lehetőségei ........................................................... 183 Építésügyi hatósági eljárási díjak ................................................................................................ 183 Közreműködő szakhatóságok...................................................................................................... 183 Elszámolás az áramszolgáltatóval............................................................................................... 184 A hazai kötelező átvételi rendszer (KÁT->METÁR)..................................................................... 184 MET Megújuló Energia Törvény KÁT->METÁR .......................................................................... 185 Kell építési engedély a napelemes rendszerre?.......................................................................... 186 Milyen engedélyekhez kötöttek a napelemek telepítése? ........................................................... 186 A megújuló energiaforrások előnyei ............................................................................................ 187
Greentechnic Hungary Kft. szállítási program...................................... 188 Termékpaletta .............................................................................................................................. 188 Terméktulajdonságok................................................................................................................... 188 Flexibilis modulok......................................................................................................................... 189 Üzemi és fenntartási költségek.................................................................................................... 191 A kalkulált energiahozamtól való eltérés ..................................................................................... 192
Fotovoltaikus rendszereknél fennálló illetve azokból kiinduló veszélyek és lehetséges károk ............................................................................. 193 Érintésvédelmi mérések, felülvizsgálatok .................................................................................... 194 Hálózatra visszatápláló fotovoltaikus rendszer............................................................................ 194 Szigetüzemű fotovoltaikus rendszer ............................................................................................ 194 PV rendszereknél fennálló veszélyek és azok kiváltó okai.......................................................... 195 A rendszer megjelölése ............................................................................................................... 195 Modulok összekapcsolási kombinációja ...................................................................................... 197 Teljesítményveszteség mismatching és mérési tolerancia miatt................................................. 198 Modul túlmelegedés..................................................................................................................... 198 A leárnyékolás kritikus kihatása................................................................................................... 198 Inverterek ..................................................................................................................................... 199 Sorosan kapcsolt inverterek ........................................................................................................ 199 Párhuzamosan kapcsolt inverterek.............................................................................................. 199 Párosított modulkapcsolású inverterek........................................................................................ 199 Érintésvédelmi feszültség meghatározása .................................................................................. 200 4
Villamos áram élettani hatásai..................................................................................................... 200 Érintésvédelem módjai................................................................................................................. 201 Lehetséges megoldási módok ..................................................................................................... 202 Teljesítménycsökkenés az inverter felmelegedése miatt ............................................................ 202 Villámvédelem, potenciálkiegyenlítés (EPH) ............................................................................... 203 Szerelés közben .......................................................................................................................... 205 Tetőstatika ................................................................................................................................... 206 Csavarkötések lazasága illetve túlfeszítése ................................................................................ 208 Kábelek hibás vezetése, keresztmetszete és azok kötése ......................................................... 209 Tűz ............................................................................................................................................... 213 Árvíz ............................................................................................................................................. 217 Szélvihar ...................................................................................................................................... 218 Jégeső.......................................................................................................................................... 218 Hóesés ......................................................................................................................................... 219 Lopás elleni védelem ................................................................................................................... 219 Általános védelmi rendszer.......................................................................................................... 219 Hatékony lopás elleni védelem, szerelve és integrálva ............................................................... 220 Földelés illetve potenciálkiegyenlítés (EPH)................................................................................ 221 DC-teljesítmény leválasztók......................................................................................................... 222 DC-oldali biztosítás ...................................................................................................................... 223 AC-oldali biztosítás ...................................................................................................................... 223 Technikai lehetőségek és megoldások a feszültség lekapcsolására tűzoltás esetén................. 225
A napelemek újrahasznosítása ............................................................ 226 Oktatási és demonstrációs rendszerek ................................................ 229 Utószó .................................................................................................. 230 Konklúzió ..................................................................................................................................... 230 Szerzői nyilatkozat ....................................................................................................................... 234 További felhasznált irodalom ....................................................................................................... 235 Releváns szabványok, irányvonalak............................................................................................ 237
Függelék .............................................................................................. 239 1) Naptárcsa ................................................................................................................................ 239 2) Helyszíni felmérés és megbeszélési dokumentáció................................................................ 241 3) Ajánlati példa ........................................................................................................................... 245 4) Gazdaságossági mintaszámítási példa egy 5 kWp rendszerre .............................................. 254 5) Az inverter és a szolárgenerátor kapcsolata ........................................................................... 255 6) A modul és az inverter manuális kiszámítása ......................................................................... 257 7) Standard rendszerpélda .......................................................................................................... 262 8) 1 MWp teljesítménylista példa................................................................................................. 265 9) Használati utasítás .................................................................................................................. 268 10) Átvételi jegyzőkönyv .............................................................................................................. 274 11) Üzemeltetői kioktatás............................................................................................................. 278 12) Német standard, minőségbiztosítás RAL-GZ966.................................................................. 279 13) Modulrögzítések .................................................................................................................... 280 14) Modulok rögzítése ferde tetőn ............................................................................................... 281 15) A Föld mozgása..................................................................................................................... 282 16) Az éghajlatot kialakító tényezők ............................................................................................ 286 17) Légkörünk állapota ................................................................................................................ 288 18) A Nap spektrumának abszorpciós területe............................................................................ 291 19) Albedó.................................................................................................................................... 293 20) Direkt normál sugárzás, DNI ................................................................................................. 297 21) Benapozás számítása ........................................................................................................... 298 22) Napállás és a sugárzás elosztása ......................................................................................... 299 23) A benapozás számítása egy adott időpontban ..................................................................... 309 24) A szoláris éghajlat.................................................................................................................. 325 25) Struktogram a Nap állássának kiszámításához .................................................................... 331 26) A terepkategóriák nemzetközi meghatározása ..................................................................... 332 27) Szélsebességek Magyarországon......................................................................................... 333 28) Hóterhelések Magyarországon.............................................................................................. 338 29) Szélterhelések Magyarországon ........................................................................................... 339 30) A modulok által leadható villamos teljesítmény tényezői ...................................................... 339 31) A modulhőmérséklet és modulteljesítmény alakulása egy bizonyos napon ......................... 341 5
32) Monokristályos vs. polikristályos napelem ............................................................................ 348 33) Melyik fajta napelemet válasszam?....................................................................................... 348 34) Trend ..................................................................................................................................... 349 35) Hova (és hova nem) érdemes napelemet telepíteni?............................................................ 350 36) Mi a forró pont (Hot spot)?..................................................................................................... 352 37) Utasítások szigetrendszerek méretezésénél (MPP) ............................................................. 355 38) Solarize PV-System V 1.11 tervező szoftver......................................................................... 359 39) Az energiatárolás lehetőségei ............................................................................................... 379 40) Átviteli hálózatszolgáltatók, a fotovoltaikus villamosenergia betáplálása Németországban . 380 41) Napelemek rögzítéstechnikája ferde és sík (lapos) tetőre .................................................... 385 42) Milyen szerszámok szükségesek a szereléshez?................................................................. 404 43) A Nap sugárzásának adatbankja........................................................................................... 405 44) Modul- és szerelés kapcsolási példa..................................................................................... 406 45) Napelem összeszerelés történe Magyarországon ................................................................ 409 46) Fogalomtár............................................................................................................................. 416
Magyar Napelem Napkollektor Szövetség ........................................... 433 Greentechnic Hungary Kft.................................................................... 433 Feljegyzések: ....................................................................................... 434
6
