A NAPKOLLEKTOROK FELHASZNÁLÁSA A NAPSUGÁRZÁS JELLEGZETESSÉGEI Napjaink egyik legelterjedtebb és kisléptékben leginkább megtérülő beruházása a napkollektor, amely a Nap sugárzó energiáját hasznosítja. Az energiaáramlás elektromágneses hullámok formájában, mint pl. a látható fény vagy az infravörös sugárzás is történhet. Ez a konvekció és a vezetés mellett a harmadik fő hőátadási mód két objektum között, mely nem igényel közvetítő közeget. A Nap ilyen módon látja el energiával a Földet hő és fény formájában, a Föld ilyen módon veszít hőt, kisugározza az űrbe. A sugárzási konstans értéke az az energiamennyiség, ami a földi légkör felszínének egy a napsugárzás irányára merőlegesen felvett négyzetméterére esik a napsugárzásból kifolyólag (a Földnek a Naptól számított távolságának középértékén). Az általánosan elfogadott értéke 1368 W/m2 ami egy műhold által regisztrált értékek éves átlaga. Ez azt jelenti, hogy 1 zavartalanul napsütött négyzetméterről ennyi energiát tudnánk begyűjteni a 100%-os hatásfokú eszközökkel.
A Nap sugárzás energiamérlege A napsugárzás folytonos spektrumú, azaz különböző hullámhosszakon, különböző intenzitással történik. Fénynek nevezzük az elektromágneses sugárzásnak egy bizonyos tartományát, amelyből a 400–800 nm hullámhosszúságú az ember számára látható a következő színekben: • • • • • •
400–420 nm – ibolya 420–490 nm – kék, 490–540 nm – zöld, 540–640 nm – sárga, 640–800 nm – vörös Felette az un. „hősugárzás”
A napsugárzással naponta több kWh energia érkezik egy négyzetméterre, még akkor is, ha kissé felhős az ég. A napsugárzást hasznosító berendezések, mint a nap(hő)kollektor és a napelem szórt fényben (sugárzásban) is működik.
A naponta érkező energiamennyiség A téli hónapokban az északi Földtekére egyre laposabban érkeznek a sugarak, ezért a merőleges felülettel kivehető energia mennyisége csökken. Hasonlóképpen az égbolt fedettsége (felhők) is csökkentik a földfelszínre érkező sugárzás intenzitását. Átlagos hatását az éves napsütéses órák számában adják meg.
Napsütésese órák száma Magyarországon Magyarországra a következő számok jellemzőek: Évi átlagos besugárzás 1250 kWh/m2 év
Az ország területére ez 116375 TWh ill. 419*103 PJ / év Ez több mint 2900 szorosa az éves villamosenergia felhasználásnak ill. kb. 350 szerese az ország primer energia felhasználásának A napenergia felhasználásnak számos módja van (napkonyha, naperőművek, stb.), de most csak a lakosság körében, hazánkban is rentábilisan alkalmazható megoldásokat ismertetünk. A következő ábrán egy tipikus európai háztartás energiamérlegét mutatjuk be. Jól látható, hogy az energia nagy része fűtésre fordítódik, ezért is van nagy jelentősége a közvetlen „hőbefogásnak”.
Tipikus európai háztartás energiamérlege A NAPKOLLEKTOROK SÍKKOLLEKTOR A síkkollektorok egy laposra kiterített csőkígyóból állnak, a csövekre további hőelnyelő lemezfelületek vannak erősítve. A kedvező elnyelési tulajdonság miatt matt feketére festik. Azért, hogy az áramló levegő, szél ne hűtse, egy üveglap alá helyezik, hátulról viszont hőszigetelik, hogy a veszteségi sugárzás ne legyen jelentős. Gyártásuk egyszerű – akár házilag is – hatásfokuk viszont nem a legjobb. Télen nagy a hőleadásuk, megfelelő védelem híján még hűthetik is a fűtött kört.
Síkkollektor szerkezete A napkollektorokat Magyarországon a déli irány és +15º nyugati irány között érdemes tájolni, esetenként ettől további +/- 15º-al eltérhetünk. A kollektor tábla síkja a függőlegessel
célszerűen kb. 45 º-ot zár be. A csőkígyót esetenként nem hőfelvevő lemezekkel egészítik ki, hanem egy parabolatükör fókuszpontjában vezetik végig. Ezt napteknőnek nevezik.
Napteknő
VÁKUUMCSÖVES KOLLEKTOR A vákumcső működési elve jelentősen eltér a síkkollektorétól. Legfontosabb eleme egy belső, néhány csepp folyadékkal töltött légüres cső, amelyet hőelnyelő bevonattal látnak el. A ferdén elhelyezett csőben a folyadék a cső aljára gyűlik. A napsugárzás hatására a cső kezd felmelegedni, a folyadék elpárolog, a meleg gőz a cső tetejébe áramlik. Ott egy „hűtőfejben” a meleg gőz átadja a hő egy részét a hidegebb hűtőközegnek, majd eközben kihűl és lecsapódik, majd lecsurog a cső aljába. A folyamat addig folytatódik, amíg a lenti folyadék párologni tud, és a csőfejben a gőz lehűl és lecsapódik. Ha véletlenül megszűnik a fej hűtése (pl. leáll a hűtőfolyadék keringetése), akkor a cső felmelegszik, nem lesz benne folyadék, csak gáz, az egyensúly több száz ºC-on áll be. Ez a magas hőmérséklet igénybe veszi a forrasztásokat, illesztéseket, a hőtágulás miatt a teljes kollektort. A forró belső csövet – hogy a környezeti levegő ne hűtse – egy külső üvegcsőbe helyezik, és a két cső közötti légréteget kiszivattyúzzák. A légüres tér, a vákuum elszigeteli a belső forró csövet, innen az elnevezés is.
Működés
Nézeti kép A vákumcső
Egy tipikus vákumcsöves kollektor panel adatai: • Hőtágulás: 3,3 x 10 - 6 °C • Vákuum: P < 5 x 10 -3 Pa • Üresjárati hőmérséklet: 245°C ( G= 1000 W/m2 ) • Hőveszteség: < 0,8 W/( m 2 C ) • Max. nyomás: 8 bar • Külső cső átmérője: 47 mm • Belső cső átmérője: 37 mm • Az üveg vastagsága: 1,6 mm • Vákuumcső hossza: 500 mm • Anyag: Bórszilikát üveg • Elnyelő bevonat: Szelektív Al-N/ Al • Abszorpció (hőelnyelés): 94 - 96% • Emisszió (hőveszteség): 4 - 6% • Vákuumcsövek száma: 8db • Kollektor súlya: 30 kg • Kollektor nettó felülete: 1,33 m2 • Kollektor űrtartalma: 1300 cm3 • Kollektor mérete: 1700 mm * 897 mm * 110 mm A két alapvető kollektortípus összehasonlítása: Síkkollektor • • • •
Konvekcióval adja át a hőt a hűtőközegnek Egyszerű technológia Olcsóbb Rosszabb hatásfok
Vákumkollektor • • • •
Párologtatás útján felveszi a hőt, lecsapódással leadja Bonyolult technológia Drágább Jobb hatásfok
• •
Nagyobb hőveszteség Hátsó hőszigetelés kell
• •
Kisebb hőveszteség Nem kell annyi hőszigetelés
Kollektorok összehasonlítása A kollektoroknál nem elsődleges szempont a hatásfok. Igaz, hogy a vákumkollektorral a beérkező hőből többet be tudunk fogni, de nincsen limitált besugárzási mennyiség, a sugárzott felület csak igen kis részét fedjük panellel, és a paneleken kívül beérkező sugárzást veszni hagyjuk. A vákuumkollektor előnyös tulajdonságai inkább az alacsony környezeti hőmérséklet melletti hőkinyerés (pl. télen fagypont alatt), illetve, hogy ekkor a már befogott hőt nem sugározzuk, vagy vezetjük vissza a környezetbe. HŐCSERÉLŐ A rendszer másik nagyméretű eleme a hőcserélő tartály, amely a napkollektorokban keringtetett, többségében fagyálló folyadékból adja át a hőt a fűtési vagy használati melegvíz (HMV) rendszernek, és egyúttal a melegvíz tárolására is szolgál. Ez egy, a háztartási bojlerekhez hasonló, hőszigetelt acéltartály, benne a nagyobb hőmérsékletű folyadékot vezető spirálcsővel. Tipikus mérete 300 l, álló kivitelű, esetenként két független kört is tartalmaz.
Hőcserélő tartály nézete és metszeti képe
HMV ELŐÁLLÍTÁS
A napkollektoros elrendezések tipikus alkalmazása, amikor télen/nyáron a pl. gáz-, vagy villanymelegítésű használati melegvizet (HMV) a napkollektorral előmelegítjük, és csak a kívánt többlethőmérsékletre kell „számlás” energiával fűteni. Egy két felnőtt + két gyermek méretű átlagcsaládra 2-3 panelt javasolnak.
A rendszer főbb elemei:
Napkollektor panelek Csővezetékek Hőcserélő Keringtetés Nyomáskiegyenlítő tartály Túlnyomás- és hővédelem Elektronikus vezérlő
Háromkollektoros HMV rendszer
Vákum- és síkkollektorok, gépészet és hőcserélő Itt kell megemlíteni azt a kereskedelmi forgalomban már hazánkban is kapható kompakt berendezést, amely magában foglalja a kollektort, hőcserélőt és melegvíztároló egységet. Egy vezetékkel a hidegvíz hálózathoz kell csatlakoztatni, míg a másik vezetéken a melegvíz érkezik (amíg a tartályban van).
FŰTÉS RÁSEGÍTÉS A napkollektorokkal fűtési célú hőmennyiség is begyűjthető. Egy családi házra tipikusan 20 panelt helyeznek fel. A problémát az adja, hogy télen, a legnagyobb hidegre kellene méretezni a rendszert, miközben nyáron befogott, a téli hőenergia mennyiségének többszörösét kitevő hőmennyiséggel nem tudunk mit kezdeni. Ezért inkább a téli nagy hidegre gáz vagy villanyüzemű fűtésrásegítést szoktak alkalmazni a rentábilisabb méretezés érdekében. Részbeni megoldást adhat, ha a jövőben kereskedelmi forgalomban is kapható lesz és elterjednek a naphővel működő, háztartási méretű légkondicionáló rendszerek is. Gondolhatnánk, hogy a lakótelepek, különösen a magas panelházak teteje alkalmas kollektorok elhelyezésére, illetve az igény is meg lenne az olcsó hőforrásra. Sajnos a jelenlegi gazdasági szabályozók mellett a távfűtő művek ellenérdekeltsége jelentős, pedig a kivitelezési szaktudás egyértelműen ennél a szolgáltatónál van jelen. A napkollektorokkal télen „előmelegített”, de esetleg az előremenő fűtési hőmérsékletet el nem érő víz hőmérsékletét a Hőszivattyút ismertető fejezetben bemutatott módon lehet megemelni (pl. 30ºC-ről 50ºC-re). A napkollektorokkal melegített, tipikusan alacsonyabb hőmérsékletű víz (30ºC - 50ºC) nem alkalmas radiátoros fűtésre, ott jellemzően 60ºC - 80ºC előremenő vízhőmérsékletet alkalmaznak. Ezért célszerű az új építésű házakban az ábrán látható padló- és falfűtést alkalmazni.
Napkollektor alkalmazás új épületben A BERUHÁZÁSOK KÖLTSÉGIGÉNYE Napkollektoros rendszereket házilag is lehet készíteni, de a szakcégek tömege kínálja ez irányú szolgáltatásait. A konkrét hőtechnikai beruházási döntést megtérülés számításnak kell megelőznie, amely az egyes fűtési alternatívákat vizsgálja. Ehhez szükséges: – – –
Kivitelezési árajánlatok Villamosenergia ár Gáz ár
– Élettartambecslés – Fogyasztási szokás ismerete, stb. Általános az a vélemény, hogy gázfűtéses városi környezetben a kis rendszerekkel történő HMV előállításának a megtérülése ma Magyarországon 3-5 év között van. A BERENDEZÉSEK ÉLETTARTAMA technológiai elem
élettartam
Napkollektoros HMV előállítás
25 év
napkollektor
25 év
karbantartási tevékenység
karbantartási költség
kockázati tényező
évente a beruházási ktg. 4%-a folyadékcsere
túlmelegedés, erős szél jegesedés, jégeső, villámcsapás
keringtetés
10 év
szorulás
elektronika, védelmek
15 év
villámcsapás
csővezetékek
25 év
ellenőrzés
szivárgás, törés, dugulás
ÉLETTARTAM ÉS HATÁSFOK NÖVELŐ TEVÉKENYSÉGEK A kollektor rendszerek – amennyiben nem tartalmaznak napkövető mechanizmust – nem igen igényelnek karbantartást. Évente ellenőrizni kell őket, a hőtovábbító folyadékközeget szivárgás esetén pótolni kell. A legtöbbször a gépjárművekben alkalmazott fagyállót használják itt is. Környezetvédelem A napkollektorok – összevetve más megújuló energiát kis léptékben alkalmazott berendezésekkel – viszonylag kevés káros anyagot tartalmaznak, a felhasznált anyagmennyiség a befogott energiára vetítve igen alacsony. Leszerelés után a rendszer nagyobb rész újra felhasználható (rézcsövek, üveg, vas tartószerkezet, stb.)
A FOTOVOLTAIKUS RENDSZEREK ELEMEI NAPELEMEK A kereskedelemben kapható napelemek előállítási technológiájukat tekintve az alábbi 3 csoportba sorolhatók:
Monokristályos
Polikristályos Amorf A mono- és polikristályos modulok hatásfoka 13-18%, gyártótól függően 20 vagy 25 év garanciával rendelkeznek, élettartamuk 30 év feletti. Az amorf technológiával készült modulok hatásfoka alacsonyabb (6-8%), a gyári garancia 10 év, élettartamuk kb. 15 év. A fenti hatásfok értékek alapján a mono- vagy polikristályos modulokból álló rendszer kb. 2,53-szor kisebb felületet igényel az amorf technológiához képest. A hatásfok és élettartam különbség a modulok áraiban is megjelenik, hiszen a mono- és polikristályos modulok ára kb. 1,5 -szeres az amorf modulokhoz képest.
Monokristályos, polikristályos és amorf napelemek EGYÉB KIEGÉSZÍTŐK Komplett napelemes rendszerek kiépítéséhez a napelemeken, a napelem-tartó modulokon, és a villamos kábelezésen kívül egyéb berendezésekre is szükség van, melyek kiépítéstől függően a következők lehetnek:
Töltésszabályozó: Biztosítja az akkumulátorok töltését a napelemek által előállított energiából, 12 vagy 24 V egyenfeszültséget előállítva a fogyasztók számára. 8, 12, 20, 30A névleges teljesítményekkel. Inverter+töltő: 230V váltakozófeszültséget állít elő a hagyományos háztartási fogyasztók számára, szigetüzemben akkumulátorok töltésére is alkalmas. Jellemzően néhány száz wattos teljesítménytől néhány kilowattos névleges teljesítményekkel. Inverter (hálózati betápláláshoz: 230V váltakozófeszültséget állít elő a hagyományos háztartási fogyasztók számára, a fel nem használt villamos energiát a vezetékes hálózatba táplálja vissza. 400-500W-tól, 2-5kW névleges teljesítményekkel. Szolár-akkumulátor (savas/ólom, vagy zselés): A napelem által megtermelt villamosenergia tárolására és későbbi felhasználására. 12 V-os feszültség, jellemzően 18-280 Ah kapacitással. Nagyobb (néhány kW feletti) rendszerek esetén célszerű kiépíteni valamilyen monitoring rendszert, melynek segítségével a napelemes rendszer adatai folyamatosan nyomon követhetők, megjeleníthetők, tárolhatók, valamint az adatokból grafikonok is készíthetők. Ezen kívül megjeleníthető a napelemek aktuális feszültsége, pillanatnyi teljesítmény, a
maximális teljesítmény, a napi és összes termelt energia, napi és összes működési idő, a hálózati feszültség és frekvencia. A FOTOVOLTAIKUS RENDSZEREK ÜZEME SZIGETÜZEM ÉS SZINKRON ÜZEM A PV rendszereknek alapvetően két csoportját különböztethetjük meg: Szigetüzemben működő, energiatároló kapacitással (akkumulátor) rendelkező napelemes rendszer A hálózattal szinkron üzemben működő (energiatároló nélküli) napelemes rendszer A következő ábrák ezt a kétféle lehetőséget mutatják:
Szigetüzem, Szinkron üzem Az első megoldás alkalmazása általában olyan helyeken lehet hasznos, ahol nincs villamosenergia hálózat, illetve annak kiépítése igen drága lenne. Ezen rendszerek elsődleges célja a helyi fogyasztás folyamatos kiszolgálása villamosenergiával, így ebben az esetben mindenképp szükséges energiatároló (akkumulátor) beépítése is. A második megoldás esetén szintén cél lehet a helyi villamosenergia igény teljes, vagy részleges megtermelése napelemmel, azonban előfordulhat, hogy a pillanatnyi termelés meghaladja a helyi igényeket, így már hálózati betáplálás is létrejön. Emellett természetesen elsődleges célként is megjelenhet a villamosenergia termelés (napelemes erőmű), melynek mindenképp feltétele a hálózattal szinkron üzem. EGYÉB ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEK A napelemek felhasználási lehetősége igen széles skálán mozog a kerti lámpáktól kezdve, a mobil akkutöltőn át, akár tanyák villamosításáig. A következőkben néhány alkalmazási lehetőséget sorolunk fel:
Villamos hálózattal nem rendelkező biztonságtechnikai berendezések ellátása
tanyák,
rádióállomások,
hírközlési,
Családi házak, társasházak kiegészítő villamosenergia termelése Épületintegráció: alkalmazható homlokzatok, tetőszerkezetek kialakítására, valamint fényáteresztő napelem modulokkal árnyékoló rendszerek is kialakíthatók Hajók, lakókocsik villamosenergia ellátása Hibrid rendszerek: napelem és szélturbina együttműködése Napelemes vízszivattyú rendszerek Közúti jelzőfények, segélykérők üzemeltetése Vidéki telefonhálózat, mikrohullámú átjátszók, földi állomások, rádiótelefon hálózatok, rádiós kommunikáció Irányfények, repülőtereken, utakon, vasutaknál, üzenetjelző táblák, világítás, jelzés, meteorológiai állomások Napelemes lámpatestek: Parkolók, terek, buszmegállók, járdák, kempingek, útkereszteződések megvilágítása
A PV HATÁSA A VILLAMOSENERGIA RENDSZER ÜZEMÉRE A PV villamosenergia termelés jellegéből fakadóan a napos (nappali) időszakra korlátozódik. A napkelte időpontja az év során helyi időben 04:45 és 07:30 között, míg a napnyugtáé 15:55 és 20:45 között változik. Ez alapján a napelemek villamosenergia termelése általában reggel 5-7 és este 16-20 óra közötti. Ideális esetben (napos idő) a következőképp alakul nyári és téli időszakban a vízszintes felületre beérkező napsugárzás:
Napelem tájolások hatása Mivel a téli időszakban a nap alacsonyabban jár, ezért célszerű a napelemeket megdönteni, és dél felé fordítani. Déli tájolású, 45 fokos dőlésszög esetén a napsugárzás változása: Figyelembe véve a magyar villamosenergia rendszer napi terhelési görbéjét megállapíthatjuk, hogy a napelemek termelése közel egybeesik a csúcsidőszakkal, vagyis a legnagyobb fogyasztású időszakkal, ami a villamosenergia-rendszer üzeme szempontjából kedvező, hiszen akkor történik termelés, amikor erre a legnagyobb az igény. A napelemek leadott villamos teljesítménye, és ezzel együtt a villamosenergia termelése szorosan összefügg a napsugárzással, mely a nyári időszakban a legnagyobb.
A 2007. Évi napsugárzás, 30 napos átlagértékekkel ábrázolva A következő ábra a globálsugárzás (a Napból érkező közvetlen sugárzás és az égbolt minden részéről érkező szórt sugárzás összege) havi összegeit mutatja az 1971-2000 közötti időszakra (átlag érték), valamint 2007-re.
A globálsugárzás éréke Naperőművek esetén ez a termelési karakterisztika szintén igen kedvező, hiszen a napelemek a nyári napsütéses időszakban termelik a legtöbb villamos energiát, amikor a légkondicionálásra is legnagyobb az igény. ÁTLAGOS KIHASZNÁLTSÁG A mono- és polikristályos modulok hatásfoka a legnagyobb, 15-18 % körüli. A következő táblázat egy Önkormányzatnál telepített 20 kW teljesítményű napelemes rendszer (polikristály napelem, hatásfok: 14%, cellahatásfok 16%) havi villamosenergia termelését mutatja:
Hónap
Villamosenergia termelés (kWh)
Beépített teljesítményre vonatkoztatott kihasználtság
Január
457
3%
Február
1134
8%
Március
1653
11 %
Április
2224
15 %
Május
3082
21 %
Június
2898
20 %
Július
2862
20 %
Augusztus
3008
21 %
Szeptember
1697
12 %
A táblázat utolsó oszlopában megadtuk, hogy a beépített teljesítményre (20 kW) vonatkoztatva az adott hónapban mekkora volt a rendszer kihasználtsága. Ez az érték eleve kisebb, mint 50%, hiszen éjszaka nem süt a nap, vagyis az évnek legalább a fele idejében a napelem biztosan nem termel. Egy 20 kW-os névleges teljesítményű villamosenergia termelő berendezés - ha az év során minden nap teljes teljesítménnyel termel - akkor egy év alatt 175 200 kWh villamosenergiát képes termelni, ami havi szinten átlagosan 14 600 kWh. A fenti táblázatban a havonta megtermelt villamosenergia mennyiséget ehhez viszonyítottuk, és így számítottuk ki a beépített teljesítményre vonatkozó kihasználtságot. A táblázat alapján a nyári időszakban kb. 20 %, tavasszal kb. 15 %, ősszel kb. 10 %, télen pedig 6 % körüli kihasználtsággal számolhatunk. Éves szinten ez kb. 12-13 % körüli kihasználtságot ad, ami azt jelenti, hogy pl. egy 100 kW-os napelemes rendszer évente annyi villamosenergiát termel, mint amennyit egy 12-13 kW-os folyamatosan (napi 24 órán keresztül) termelő erőmű termelne egész évben. Ez a kihasználtság alacsony, még a szélerőművek magyarországi 20-21 %-os kihasználtságánál is kevesebb. SZABÁLYOZHATÓSÁG A napelemes rendszerek villamosenergia-rendszerbeli alkalmazásának másik nagy előnye (ami egyrészt a kész rendszerek magas árát is okozza), hogy inverteren keresztül csatlakoznak a villamos hálózathoz (mivel egyenfeszültségen termelnek). Az inverteres csatlakozás (megfelelő típusú inverter esetén) lehetővé teszi a naperőmű igen pontos, és gyors hatásos- és meddőteljesítmény szabályzását. Ez a képesség arra is alkalmassá teszi a nagyobb PV rendszereket, hogy a rendszerirányító, vagy az elosztóhálózat üzemirányítója, mint szabályozható erőműveket (akár gyorsan bevethető tartalékokat), illetve aktív feszültségszabályozókat (U/Q szabályozás) használja azokat. Ennek az is feltétele, hogy a naperőművekben levő teljesítmény tartalék minden pillanatban (és akár néhány órára előre is) ismert legyen, melynek feltétele a néhány napos előretekintési idejű off-line, valamint a néhány órás előretekintésű on-line termelésbecslés alkalmazása.
IDŐJÁRÁSFÜGGÉS Ugyanakkor hátrányként kell megemlíteni a PV villamosenergia termelés időjárásfüggését, mely a villamosenergia-rendszer üzemelőkészítése (napi menetrendek tervezése) során jelenthet nagyobb bizonytalanságot. Azonban ez a bizonytalanság (mint minden időjárásfüggő termelő esetén) jelentősen csökkenthető, amennyiben meteorológiai előrejelzésen alapuló termelésbecslő eljárásokat alkalmazunk. Tekintettel a naperőművek (várhatóan) területileg szétszórt elhelyezkedésére, az időjárás változás hatása (felhőzet, frontok érkezése, elvonulása, stb.) nem egyszerre fog jelentkezni minden naperőműnél, ami csökkenti a kiadott teljesítmény időben hirtelen változását. ELOSZTOTT TERMELÉS A technológiából fakadóan, a napelemes erőművekből várhatóan nem néhány darab, több 10, illetve több 100 MW-os erőmű fog megjelenni a hálózaton, hanem inkább nagyszámú, néhányszor 10, illetve 100 kW kapacitású rendszerek elterjedésére kell számítani. Ennek megfelelően ezen erőmű típusokat elosztott termelő berendezéseknek kell tekinteni. Ezek a termelő egységek elosztott jellegükből fakadóan számos olyan tulajdonságot hordoznak magukban, melyek jelentősen eltérnek a megszokott, hagyományos nagyerőművektől. Ezen ismérvek egy része a villamosenergia rendszer tervezése, üzemelőkészítése és irányítása szempontjából, mint előny, más része pedig hátrányként jelenik meg a koncentrál nagyerőművek tulajdonságaihoz képest. Néhány kedvező tulajdonság:
A naperőművek műszaki meghibásodás miatti együttes leállásának (kiesés) valószínűsége gyakorlatilag nulla, szemben a hagyományos, koncentrált elhelyezkedésű erőművekkel. A betáplálási pontok elosztottsága miatt a hálózati hibák miatti együttes kiesés valószínűsége szintén gyakorlatilag nulla. Az elosztott betáplálás miatt a naperőművek nem csak egy, hanem több ponton is „alátámasztják” a villamos hálózatot, mely megfelelő karakterisztika esetén növeli a hálózat hibatűrő képességét. A modern inverterrel felszerelt naperőművek lokális U-Q szabályozásra is felhasználhatók, melyek révén csökkenthetők a lokális feszültség problémák (alacsony, vagy magas feszültség). A fenti előnyök mellett azonban az elosztottságból fakadó néhány kedvezőtlen tulajdonságot is meg kell említeni:
Az elosztottság miatt a naperőművek termelésbecsléséhez az ország több területére is szükséges meteorológiai előrejelzési adatot kérni (globálsugárzás), mivel egyetlen pontra vonatkozó előrejelzéssel nem becsülhető az országos termelés. Az előrejelzési adatoknak lehetőleg 15 perces felbontásúaknak kell lenniük. A nagyobb naperőművek termelésének on-line megfigyeléséhez ki kell építeni a megfelelő kommunikációs csatornákat az üzemirányító(k) és az erőművek között, mely költségesebb, mint egyetlen koncentrált erőmű esetén. Amennyiben valamilyen (központi, vagy elosztott-csoportos) szabályzásba szeretnénk bevonni az erőműveket, akkor ennek kiépítése is költségesebb, mintha egy hagyományos erőművi blokkot kellene szabályozni.
NAPELEMEK ALKALMAZÁSA AZ ÉPÍTÉSZETBEN A „l’art pour l’art” napelemes rendszerek helyett célszerű az épületekbe integrált napelemeket támogatni. Ennek oka, hogy a jól elhelyezett napelem táblák elsősorban árnyékolást adnak, ami már önmagában csökkenti az amúgy terjedő légkondicionálási igényt. Ezen túl, az erős napsütés idején van szükség légkondicionálásra, és ezen energiaigény fedezéséhez a napelemek is hozzájárulnak. KIS MÉRETŰ, CSALÁDI HÁZAKRA TELEPÍTETT RENDSZEREK:
Napelemes rendszerek családi házon
Hortobágyi pásztorlak és tápegysége ÉPÜLETINTEGRÁLT NAPELEMES RENDSZEREK A szakirodalomban BIPV Building Integrated PhotoVoltaic néven jegyzett terület egy új határtudomány. Megvalósítása szoros együttműködést igényel a beruházó, az építész, a villamos tervező és a kivitelező között.
Az épületintegrált napelemes rendszerek legegyszerűbben kivitelezhető változata a bevásárlóközpontokon, raktárépületeken, logisztikai központokon, gyárak tetőfelületén kialakított beruházás. Ez az esetek döntő többségében hálózatszinkron üzemben működik. Egy közepes méretű bevásárlóközpont, logisztikai központ tetőfelületére átlagosan 1-1,5 MWp PV rendszer telepíthető. Értéktöbbletek: Megvalósítja a decentralizált energiatermelést annak minden előnyével, Csúcsidőben termeli a legtöbb villamosenergiát, amikor a hűtő rendszerek a legnagyobb terhelést jelentik a hálózat számára, A tetőre szerelt napelemek árnyékoló hatása nyáron több °C-kal csökkenti az épület belső hőmérsékletét, A rendszer mozgó alkatrészt nem tartalmaz, minimális a karbantartási igényük, Ha egyszer megépült, min. 25 évig napról–napra csendben, zaj nélkül villamos energiát termel nulla CO2 kibocsátás mellett, Mérsékeli a hagyományos energiahordozóktól való függést, Gyorsan, széles határok között megépíthető 1 kW - 50 MW közötti megépült példák:
Freiburg Napelemkutató Intézet lépcsőház fala, Freiburg irodaépület fal
VÁV UNION Kft. Budaörs
Hartmann AG; Németország 3,8 MWp és Malsch 520 kWp
A BERUHÁZÁSOK KÖLTSÉGIGÉNYE A PV villamosenergiatermelés esetén azt is figyelembe kell venni, hogy a beruházásnak csak egy részét teszi ki a napelem ára, míg a többi az installációhoz szükséges egyéb eszközök, valamint a kiegészítő teljesítményelektronikai berendezések (inverter, töltésszabályozó) és az esetlegesen szükséges akkumulátor ára. A hálózatra tápláló kiépítés a napelemeken kívül invertert is tartalmaz, míg a szigetüzemű rendszerben a napelemeken kívül inverter, akkumulátorok és töltésszabályzó is van (ez utóbbi esetleg az inverterrel egybeépítve). A fenti árak nem tartalmazzák a telepítés és beüzemelés költségét, valamint a kábeleket és napelem tartó kereteket. A modern napelemek várható élettartama legalább 25-30 év (a fenti rendszerekre 25 év teljesítmény garanciát adnak). Nem szabad megfeledkezni arról, hogy szigetüzemű rendszerben akkumulátorok is vannak, melyek élettartama ennél jóval rövidebb, modern szolár akkumulátorok esetén kb. 10 év körüli, vagyis 30 éves napelem élettartamot feltételezve ez azt jelenti, hogy 3 garnitúra akkumulátort kell elhasználni.
Mivel szigetüzemű rendszereknél az akkumulátorok ára a teljes rendszer költségének (csak az eszközök árát tekintve telepítés nélkül) kb. 25-30%-át teszik ki, ez azt jelenti, hogy a teljes élettartam alatt az induló eszköz költség kb. 50-60%-át kell még pluszban ráfordítani 2 garnitúra új akkumulátorra. Tehát a teljes élettartamra vetített teljes eszköz-költség (napelem, akkumulátor, inverter, töltő) az induló eszköz költség 150-160%-a, melynek kb. a fele az akkumulátorok költsége, melynek előállítása és megsemmisítése/újrahasznosítása igen drága, és környezetszennyező. Mivel a szigetüzemű rendszer kiépítésének költsége az akkumulátorok miatt jóval magasabb, ezért ennek a megoldásnak elsősorban ott van szerepe, ahol másképp nem, vagy csak igen nagy ráfordítással oldható meg a villamosenergia ellátás. A következő táblázat azt mutatja meg, hogy mikor éri meg egy villamosenergiával el nem látott területen (szigetüzemű) napelemes rendszert kiépíteni az éves villamosenergia igény függvényében.
A BERENDEZÉSEK ÉLETTARTAMA A fotovillamos rendszer legfontosabb összetevői a napelemek, amely a nap energiáját közvetlenül villamos energiává alakítja. A napelemeknek háromféle technológiája létezik: monokristály, polikristály és az amorf technológia. A mono- és polikristályos modulok hatásfoka 13-18%, gyártótól függően 20 vagy 25 év garanciával rendelkeznek, élettartamuk 30 év feletti. Az amorf technológiával készült modulok hatásfoka alacsonyabb (6-8%), a gyári garancia 10 év, élettartamuk kb. 15 év.
technológiai elem Napelemes erőmű
napelem
élettartam
karbantartási tevékenység
25 év
karbantartási költség
kockázati tényező
évente a beruházási ktg. 1%-a, vagy 0,20 Ft/kWh
10-30 év
erős szél
(fajtától függ)
jegesedés, jégeső, villámcsapás
elektronika (ha van akkumulátor)
25 év 6-10 év
villámcsapás ellenőrzés
robbanás
ÉLETTARTAM ÉS HATÁSFOK NÖVELŐ TEVÉKENYSÉGEK A fenti berendezéseken érdemben nem kell/lehet hatásfokot növelni. A szükséges karbantartások elvégzése jelentheti a táblák takarítását, a vezetékek, csatlakozók ellenőrzését, szükség esetén cseréjét. Kritikus pontja a rendszernek a napelemtáblák elektromos kivezetése, amit védeni kell, mert törése az egyébként üzemképes napelemtábla használatát ellehetetleníti. A napelemek esetén az élettartam növelés a rendszer működése során közvetlenül nem értelmezhető, mivel a rendszer statikus, és nem tartalmaz mozgó alkatrészeket. A napelem élettartamát elsődlegesen a napelem típusa, és az adott gyártó által használt gyártási technológia határozza meg. Általánosságban, azonos típusú (pl. monokristályos) modulok esetén különféle speciális bevonatokkal és különleges üveg felülettel hosszabb élettartamú, és nagyobb hatásfokú napelemek készíthetők. Meg kell azonban jegyezni, hogy a napelemeknél ismert a degradáció fogalma, ami azt jelenti, hogy az új napelemek a névleges teljesítményük felett teljesítenek néhány %-al, még 20 év múlva már néhány %-al alatta. Ezen hatásfokromlás ellen nem lehet tenni érdemben, de az élettartam kitolása már „talált pénz”, azaz minél tovább érdemes a rendszer használni. A napelem rendszeres gondozása (a felület tisztítása, letörlése) elsősorban a napelem hatásfokát (vagyis a megtermelt villamosenergia mennyiséget) növeli, semmint az élettartamot hosszabbítja.
KÖRNYEZETVÉDELEM A napelem táblák előállítása nem tekinthető környezetbarátnak. Fontosnak tartjuk megemlíteni, hogy a napelemek gyártásához különféle ritka földfémeket használnak, ami ugyanolyan veszélyes és környezetszennyező anyag, mint pl. a higany vagy a kadmium, tehát a lejárt élettartamú napelem hasonlóan veszélyes hulladék, mint egy akkumulátor. Veszélyes hulladéknak számít az elektronika és az esetlegesen alkalmazott akkumulátor. Az üzemelés után viszonylag semleges hulladékok is keletkeznek, mint a vas-alumínium tartószerkezet
