A napenergia hasznosítása
A napenergia hasznosítás technológiájának és gyakorlati oktatásának tanulmányozása Spanyolországban 2014-1-HU01-KA102-000335 2015.02.21 – 2015.03.01. A tanulmányúton az Óbudai Egyetem, a Békés Megyei Kereskedelmi és Iparkamara és a Békéscsabai Központi Szakképző Intézet szakértői vettek részt. Az út célja a napenergia hasznosítás technológiájának és gyakorlati oktatásának tanulmányozása Spanyolországban. A meglátogatott dél-spanyol régióban kimagaslóan magas a napenergia hasznosításának az aránya. Dél-kelet Magyarország klimatikus viszonyai nyáron hasonlítanak az ottani körülményekhez. Természetesen a napsütéses órák száma, valamint az átlaghőmérséklet alacsonyabb, mint Spanyolországban, de mégis elmondható, hogy országos tekintetben a régiónk jó adottságokkal rendelkezik. Ezeket a lehetőségeket célszerű kihasználni. A kiutazó szakértők kiválasztásánál a szakmai szempontok voltak meghatározóak. Az óbudai Egyetemmel már korábban is jó kapcsolatokat ápoltunk, megújuló energiagazdálkodási kutató központtal rendelkeznek. Részükről Dr Mersich Ivánné, Major László és Szántó András vett részt a tanulmányúton. A Békés Megyei Kereskedelmi és Iparkamara a technológia terjesztését tűzte ki célul, a kamarát Juhos János és Szikszai Csaba képviselte. A Békéscsabai Központi Szakképző Intézet Trefort Ágoston Tagintézménye az útra Kiss Mihályt, Kruzsic Lászlót és Kasoly Sándort delegálta. A szakértői tanulmányút projektvezetője Kruzsic László volt. A zsúfolt munkaprogramból csak néhány elemet szeretnék kiemelni. A fogadó spanyol cég rendkívül változatos és tartalmas programot állított össze számunkra. Az első napon egyeztettük a munkaprogramot a EUROPROYECTOS LEONARDO DA VINCI S.L (AC GROUP) munkatársával. Érdekes volt számomra egy olyan spanyol cég megismerése, amelynek fő profilja, a nemzetközi mobilitások lebonyolítása, s mindez piaci alapon. Itt meg kell jegyezni, hogy a szolgáltatásuk ára barátságos volt, a programszervezés minősége ellen nem volt kifogásunk. Sajnos a magyar köznevelési rendszerben a nemzetközi mobilitással foglalkozó kollégák feladataikat sokadik megterhelésként a kötelező óraszámuk felett végzik el. Talán érdemes lenne elgondolkozni azon, hogy nagy oktatási intézetben főállású munkatársak foglalkozzanak ezzel a területtel, akár piaci alapon is.
Majd Granada önkormányzata egy rendkívül érdekes előadás keretén belül tájékoztatott minket a helyi környezetvédelmi politikáról. A Granadai Önkormányzat nagy figyelmet fordít a megújuló energiagazdálkodás és a környezetvédelem területére. Létrehoztak egy bemutatóközpontot, ahol a lakosságot és a kisvállalkozásokat tájékoztatják a lehetőségekről.
Később meglátogattuk a Granadai Kereskedelmi és Iparkamarát. Itt lehetőség nyílt a kamara szerepének, tevékenységének megismerése.
# A Kereskedelmi és Iparkamara tevékenységének megismerése. Spanyolországban a közelmúlt törvényi változásai miatt eltörölték a kötelező kamarai tagságot, ez radikális változást eredményezett a kamara életében, a korábbi tagok csupán hét százaléka maradt bent a rendszerben, ez igen elgondolkoztató. Vajon nálunk a kamarák betöltik-e azt a szerepet amiért létrehozták? Vagy csak egy plusz hivatal, ahová be kell fizetni a kötelező tagsági díjat. Nem lehet tudni, hogy ilyen esetben nálunk hány százalék maradna, de ez is rávilágít arra, hogy minden szektor számára szolgáltatást adó kamarára van szükség, a kamara szolgálja a gazdaság érdekét és nem fordítva. Kamarai tagság, helyi vállalkozások. A kamara szolgáltatásai. A Spanyol kamara egyértelműen a szolgáltatások irányába mozdul el. A kötelező kamarai tagság eltörlésére már nálunk is voltak kísérletek, ha esetleg bekövetkezik, akkor a tagság csak akkor marad bent a rendszerben, ha ezzel kézzelfogható előnyök járnak, a gazdasági élet szereplőinek ad valami pluszt a tagság.
A megújuló energiagazdálkodás és a környezetvédelem számos jele látható a középületeknél, például akkumulátoros motorkerékpárok alkalmazása. Töltő a főépület előtt is. Napelemek alkalmazása az épület tetején.
A következő munkanapokon megtekintettünk egy nagy kapacitású szélerőmű parkot.
# A szélerőmű park kitűnt rendkívüli méretével és kapacitásával. Itt meg kell említeni, hogy Andalúzia energia termelésének nagyobb hányadát már megújuló energiaforrásból tudják biztosítani. Az Iberdrola Renovables a szélenergia alkalmazás területén a világ legnagyobb cégei közé tartozik. 14 000 MW villamos kapacitással rendelkezik összesen a világon, melyből közel 6000 MW a Spanyolországban főleg Andalúziában rendelkezésre álló teljesítmény. Folyamatosan bővítik az erőműveiket, növelik a kapacitásukat. A megtekintett szélerőmű park a 4. legnagyobb Európában a 180 MW teljesítménnyel, 100 turbinával. Évente kb. 440 000 MWh villamos energiát állítanak elő, mely kb. 100 000 lakás energiaellátására elegendő. Az erőmű park a Sierra Nevada hegységben található, ahol mindig erős szelek fújnak. A legmagasabb helye telepített szélgenerátor 1315 méter magasan helyezkedik el.
A szélenergia Magyarországon sajnos csak Győr környékén hasznosítható igazán, ott egy viszonylag stabil, állandó széláramlás van. Ott áramlik be a levegő nyugatról a kárpát medencébe.
DLR napenergia kutatási központ. A kutatóközpont nemzetközi együttműködés keretében jött létre, és a fenntartása, működtetése is nemzetközi együttműködés keretében történik. A kutatóközpont három telephelyen található Kölnben, Jülichben ( 60 kilométer távolságra, nyugati irányban van Kölntől ) és az általunk meglátogatott Almériai részleg.
A kutatás fő területei, részlegei Napenergia hasznosítás technológiájának és anyagainak kutatása. Vonalban fókuszált rendszerek, pontban fókuszált rendszerek
Pontban fókuszált rendszer Jülichben.
Napenergiás rendszerek minősítése A részleg foglalkozik a napenergia hasznosítására épülő berendezések vizsgálatával, minősítésével.
Napenergia felhasználása a kémiai folyamatok kutatásához Napenergiás metánátalakítás Magas hőmérsékletű elektrolízis Vízbontás fény katalízis útján
Termikus körfolyamatok vizsgálata
(Stirling motor és generátor, hidrogén és hélium munkaközeggel
Napenergiás víztisztítás A napenergiára épülő víztisztítási rendszer elsődlegesen a fejlődő világ számára jelentene jelentős előrelépést.
A jelenleg futó projektek: Napenergia elnyelő szilícium karbid kerámiából.
A hőelnyelő cellákat a pontba fókuszált naptornyok esetén használják fel, ilyenkor rendkívül magas hőmérsékletnek van kitéve a cella. A feladata, hogy az intenzív hőt átadja valamilyen szekunder közvetítő közegnek. A naptornyok lehetőséget adnak még a hőálló és hőszigetelő anyagok tesztelésére is, ilyen módon tesztelték például az űrsiklók hővédő pajzsát is.
Kis teljesítményű napenergiára épülő biomasszával kombinált erőművek Ez az erőműtípus elsődlegesen a fejlődő világban terjedhet el, az áramot napközben a napenergia segítségével termelnék meg, esti órákban, vagy borús időben, pedig biomasszára épülne az energiatermelés
Termokémiai kutatások: A tüzelőanyag megújuló energiaforrásból való biztosítására Napenergiával gőz előállítása és felhasználása Talán ez a legelterjedtebb megoldás, az ilyen technológiára épülő erőműből már több tucat megépült a világban.
Napenergiával hidrogén előállítás (Solar to Hydrogen Hybrid Cycles)
A közvetlen hidrogén előállítása jelentősen csökkentené a környezetszennyezést, hiszen az égéstermék víz, a technológia még csupán kutatási szakaszban tart, de gazdaságos megvalósítása esetén forradalmi változást eredményezne az energiaszektorban.
Hőenergia szállítása A hőenergia nagy távolságú szállításának gondolata nem új keletű, aktualitását fokozza a napenergia egyre hatékonyabb hasznosítása, és az a tény, hogy a gazdaságosan megtermelhető energia helyszíne nem esik egybe a legnagyobb energiafelhasználók helyszínével.
A hőenergia tervezett szállítási útvonalai
NAPSUGÁRZÁS HASZNOSÍTÁSA: A napkollektor: a napsugárzást elnyeli és hővé alakítja. Az így keletkezett hőenergia használható: - melegvíz készítésre, - épületek fűtésére, - medencék vizének fűtésére. - közvetett hasznosítás: szél, eső, tengeráramlás, - közvetlen hasznosítás: - passzív: épület tájolása, árnyékolás, - aktív: erre a célra gyártott berendezéssel napelem napkollektor
#
A földfelszínt a sugárzás 51 %-a éri el, - 10 % visszaverődik. Magyarországon: - a szórt és a közvetlen sugárzás aránya: 50%-50%, - az eltérés az ország területén belül < 10%, - legtöbb napsütés 40-42o dőlésszögű felületen 1450 kWh/m2
A NAPKOLLEKTOROS RENDSZEREK FELÉPÍTÉSE Levegő munkaközegű napkollektorok Egy ventilátor levegőt mozgat a levegős napkollektoron át, abban a napsugárzás hatására felmelegszik a levegő. Ez a levegő fűti a helyiségeket.
Alkalmazható: - direkt légbefúvásos módon: a ventilátor a fűtendő helyiség levegőjét mozgatja a levegős napkollektoron át, a kollektorban keletkezett meleg levegőt egyenesen a lakótér levegőjébe juttatja
vissza.
Előnyei: - egyszerű szerkezeti kialakítás, - hosszú élettartam, - nem igényel karbantartást (max.légszűrőt kell cserélni), - nem tartalmaz veszélyes fagyálló folyadékot, - villamos hálózattól függetlenül is működtethető, Hátrányai:· - hatékonysága alacsony: fűtésrásegítésre, temperálásra alkalmas - nem képes tárolni a megtermelt hőmennyiséget. - hővisszanyerő, szellőztető módon: szellőztető rendszerbe való integrálással, a helység elhasznált levegőjének hőenergiáját visszanyerve és a levegős napkollektorral a kívánt hőmérsékletre melegítve friss levegőt juttat vissza a helyiségbe.
Kollektor sörösdobozokból: - abszorber: (hulladék) Al doboz - keret: fából - hőszigetelés: polikarbonát - gyűjtő: Al
- csőrendszer: PVC lefolyócső - ventillátor: PC-processzor hűtő
A napkollektor A napkollektor a Nap hőjét hasznosító berendezés, amely a napsugarakból kinyert hő segítségével állít elő használati- vagy fűtésrásegítésre alkalmazható meleg vizet.
A napkollektor működése
#
A napkollektor tulajdonképpen egy hőcsapda, amely az alábbi elven működik: ⋅ A napfény bejut a napkollektorba és elnyelődik benne, miközben hője felmelegíti a napkollektor csöveiben keringő folyadékot (a speciális szigetelésnek köszönhetően az elnyelt hő kijutni már nem tud a napkollektorból). ⋅ A felmelegített folyadékot egy szivattyú keringeti a napkollektor csöveiben, így szállítja el a hőt egy hőcserélőig. A hőcserélő tartályban a folyadék hője átadódik a tartály vizének, felmelegítve azt. Amikor a tartály vize eléri a megfelelő (a vezérlőben előre beállított) hőfokot, a meleg víz felhasználásra kész.
#
Amennyiben - pl. borús időben vagy télen - nem melegszik fel eléggé a víz, kiegészítő fűtést kell alkalmazni (pl. elektromos fűtőbetét, gáz-, villany-, vagy vegyes tüzelésű kazán). A napkollektor működtetése ilyen esetben is költségtakarékosabb, hiszen a napkollektor által előmelegített vizet a kívánt hőfokra melegíteni már kevesebb energiafelhasználást igényel. A napkollektor rendszer teljesen automatikusan üzemel, a vezérlőelektronika szabályozza működését az egyedileg beállított paraméterek alapján. Napkollektor rendszerek hazánkban A Magyarországon üzemelő napkollektor rendszereket elsősorban használati meleg vizet előállításra, illetve fűtésrásegítésre és medence fűtésre alkalmazzák. Külföldön már vannak olyan napkollektor rendszerek is, amelyek képesek eltárolni a nyár folyamán felmelegített vizet az épület alatt lévő hatalmas méretű tartályokban, és télen ennek hőjét használják fel a fűtésre. Mivel hazánkban a nyári és a téli napsütéses órák száma között jelentős eltérés van, a napkollektorokat átgondoltan, pontosan kell megtervezni (méretezni) és programozni.
Napkollektor fajták A melegített közeg fajtái szerint kétféle napkollektor létezik:
- levegőt melegítő napkollektor - folyadékot melegítő napkollektor. Levegőt melegítő napkollektor: Több típusa létezik. Ennél a fajtánál a levegőt egy hőcsapdán fújják át, így az a bennrekedt hőt felvéve felmelegszik. A napkollektorból kiáramló meleg levegő már irányítottan felhasználható. Folyadékot melegítő napkollektor: Ennek is több típusa ismert, de az alapvető működési elv itt is egységes. A napkollektor belsejében keletkezett hőt veszi fel a rendszerben keringtetett folyadék, amely elszállítani és a megfelelő helyen felhasználja ezt a hőt. A folyadék-kollektorok két főbb csoportja: síkkollektor és vákuumcsöves napkollektor Síkkollektor: Ez az elsőként kifejlesztett napkollektor típus, amelynek szerkezete gyakorlatilag egy jó hőszigeteléssel rendelkező, üveggel lefedett dobozból és a benne elhelyezett, hosszú csőkígyóból áll. Utóbbi úgy van elhelyezve, hogy az üvegen át beengedett napsugárzás révén keletkezett hő minél jobban elnyelődjön a cső falaiban, és át tudja azt adni a benne keringetett folyadéknak.
#
Vákuumcsöves napkollektor: A vákuumcsöves napkollektor típus egy közös gyűjtőegységbe dugott, különálló üvegcsövekből áll, amelyek mindegyikében van belül még egy üvegcső az abba beépített, hőt elvezetni képes fűtőcsővel. A külső és belső üvegcső közti térben vákuum van.
#
A korszerű vákuumcsöves napkollektoroknál ez a két üvegcső valójában egy: a termosz betétjéhez hasonló duplafalú cső, aminek falai közt vákuum van. Ez a kialakítás jobb, mivel a két cső közötti rész tökéletesen zárt, nincsen tömítés, és amíg az üveg el nem törik, addig a vákuum nem szűnhet meg.
#
A külső beengedi, a belső csőfal pedig elnyeli a sugárzást, hővé alakítva azt. Napjainkban a vákuumcsöves napkollektornak két típusa használatos; a HEATPIPE és az U-csöves rendszerű napkollektor. HEAT-PIPE rendszerű napkollektor: A fűtőcső önálló egységet képez, belsejében alkoholos folyadék van, ami hő hatására elpárolog. Ez a fűtőcsőben felszálló pára vezeti el a napkollektor gyűjtőegységébe a keletkezett hőt, és ott átadja a rendszerben keringetett glykolos folyadéknak. A folyadék elszállítja a napkollektor hőcserélőjébe.
U-csöves napkollektor: Ennél a napkollektor típusnál az U-alakú fűtőcső a rendszerben keringetett glykolos oldatot levezeti az üvegcső aljára, ahol az U formának köszönhetően visszafordul és felül kijön az üvegcsőből. Mivel ezt a kanyart a napkollektor összes csövénél megteszi, alaposan átmelegszik. Az Ucsöves rendszernél egy hőátadási lépcső kimarad, ezért előnyösebb.
#
Speciális napkollektor fajták A teljesség kedvéért megemlítenénk, hogy létezik néhány speciális napkollektor fajta is. Az egyiknél pl. egy hatalmas tükörrendszert alkalmaznak, amelynek forgását számítógéppel vezérlik úgy, hogy a tükrök fókusza mindig a Nap felé legyen, és a napsugárzást egy helyre koncentrálják. Ez a fajta napkollektor rendkívül magas hőfok elérése képes. Működnek ezen az elven gőzturbinák, sőt napkohók is, amelyekben akár több ezer fokot is képesek előállítani.
A síkkollektorok kipróbált megoldást képviselnek a napkollektor technológia terén, élettartamuk akár 40 év is lehet. A vákuumcsöves napkollektorok viszonylag új technológiának számítanak, így ezek mögött még nincsenek évtizedes tapasztalatok. A kétfajta napkollektor összehasonlításának tükrében általánosan igaz, hogy egy vákuumcsöves napkollektor hatásfoka kb. 10-15%-al jobb, viszont ára is 10-15%-al magasabb, mint egy síkkollektoré.
Naperőművek Dél Spanyolországban Almeria naperőmű meglátogatása. A naperőmű parkban fotovoltaikus napelemek segítségével állítanak elő villamos energiát. A megtermelt energiát közvetlenül a hálózatba táplálják. La Africana Energía erőmű megtekintése.
# Az erőmű volt talán az út legnagyobb érdekessége. A nap irányába forduló tükrök segítségével olajat melegítenek fel, majd a hővel gőzt állítanak elő. A nagynyomású gőzt gőzturbinák segítségével mechanikai energiává, majd generátorok segítségével villamos energiává alakítják át. A rendszer gyakorlatilag folyamatos üzemű, mivel a rendszer alkalmas a hő tárolására is, a hőt folyékony sót tartalmazó tartályok tárolják, így az erőmű éjszaka, illetve borús időben is termel energiát. Az erőmű maximális kapacitása 52MW.
SZOLÁR PARABOLA (PARABOLA KONCENTRÁTOROS) RENDSZER Olyan napenergia-hasznosító berendezés, amely a nap sugarait koncentráltan összegyűjti egyetlen fókuszpontba.
- direkt napsugárzást hasznosítva működik, felhős, vagy árnyékos időben “pihen” a rendszer, - kis hűlő felület a kollektoron: nagy hőmérséklet különbségnél (télen) is hatékony, - követi a nap járását,
SZOLÁR PARABOLA (PARABOLA KONCENTRÁTOROS) RENDSZER VILLAMOS ENERGIA TERMELÉSRE Napenergia-hasznosító berendezés, amely a nap sugarait koncentráltan csőrendszerrel gyűjti, egy részét gőzzé alakítva turbinákkal generátorokkal villamos energiává alakítja, másik részét hőkapacitás tárolókban tárolja, s azt a napsütésmentes időszakban alakítja át villamos energiává.
Córdoba, dél Spanyolország, 50 MW teljesítmény, 270 hektár területen, 225 792 db 550000 m2 területű tükörfelület, Az erőmű látképe madártávlatból
Az erőmű 50 MW teljesítmény leadására képes folyamatos üzemben.
A folyamatos üzemmódot két hőtároló tartály teszi lehetővé, amelyben 30500 tonna folyékony sóban tárolják a hőenergiát. Ez akár több napos borús időjárás esetén is képes az energiatermelést fenntartani. A nap hőenergiáját hatalmas felületű napkövető tükörrendszerrel fogják be
A tükrök fókuszpontjába elhelyezett csőben 500-600 fokra olajat melegít fel a napsugárzás
#
A két monumentális hőtároló tartály és a kisegítő berendezések látképe.
A hőtárolótartályok képe madártávlatból
30500 tonna olvadt só
#
Az erőművi berendezések A megtermelt hőenergiát gőzturbinás erőművi berendezésekkel villamos energiává alakítják
Az erőmű képe madártávlatból
A córdobai tapasztalatok azt mutatják, hogy ezek az erőműtípusok jól használhatók azokon a területeken, ahol nagyon magas a napsütéses órák száma, így Dél-Magyarországon is elképzelhető az alkalmazása. Azonban csak olyan területeket érdemes felhasználni, amelyek más módon például mezőgazdasági célra nem hasznosíthatóak.
Milyen napkollektor rendszer javasolható? Mindenekelőtt a napkollektor rendszer révén elérni kívánt célokat, igényeket kell meghatározni, ennek függvénye a méretezés. A napkollektor által termelt meleg vizet használhatjuk: - használati melegvíz (fürdés, mosogatás, stb.) - fűtésrásegítés - úszómedence fűtése Ha meghatároztuk, hogy mire szeretnénk a napkollektor által termelt meleg vizet használni, azzal meghatároztuk azt is, hogy mikor mennyi és hány fokos meleg vízre van szükségünk.
Figyelembe kell venni, hogy hazánkban a nyári-téli napsütéses órák között jelentős különbség van. Ha úgy méreteznénk egy napkollektor rendszert, hogy az nagy mennyiségű meleg vizet állítson elő télen, az hatalmas problémát jelentene nyáron, mivel fűtés híján nem lehetne mit kezdeni ennyi meleg vízzel és a rendszer állandóan felforrna. Nemcsak hamar tönkremenne, hanem ráadásul egy ilyen napkollektor rendszer igen sokba is kerülne.
#
Minden esetben az igényekhez legjobban illeszkedő, mind műszaki, mind pedig gazdaságossági szempontból optimális megoldást kell megtalálni. Egy napkollektor rendszer ideális működéséhez az alábbi 3 tényező elengedhetetlenül szükséges: 1. A napkollektor rendszer szakszerű tervezése, méretezése és kivitelezése. 2. Jó minőségű napkollektorok és kiegészítők alkalmazása. 3. A telepített napkollektor rendszer egyedi igények szerint testre szabott beállítása, programozása.
Részlet az út eredményeként elkészült fotovoltaikus tananyagelemből
A napelem működése
A napelem cellákból épül fel, melyek a napfényt elektromos árammá alakítják. Minden cellában félvezető rétegek találhatók. A cellákra eső fény elektromos mezőt hoz létre a rétegek között, és áram jön létre.
#
A fény erőssége határozza meg, hogy mennyi áram jön létre cellánként.
A napelemes rendszer nem csak erős napsütésben működik, esős és borús napokon is termel áramot a visszaverődött, átszűrődő napfény hatására.
A napelemes rendszereket latin eredetű szóval és a nemzetközi szóhasználatban "fotovoltaikus" rendszereknek is nevezzük.
#
Napelemes rendszer típusok Alapvetően két napelemes rendszer típust különböztetünk meg aszerint, hogy kapcsolódik-e a villamos hálózathoz:
Szigetüzemű rendszer
#
Teljesen független és önálló áramellátó rendszer, alkalmazása csak akkor ajánlott, ha nincs villamos hálózat, vagy annak kiépítése nagyon drága lenne. A megtermelt és el nem használt villamos energia tárolása akkumulátorban történik. Az akkumulátorok ára rendkívül magas, az élettartamuk véges, így 5-6 évenkénti cseréjükkel számolni kell. A hálózatra kapcsolt rendszer árának átlagosan kétszeresébe kerülnek. Télen csak napelemmel nem biztosítható a 100%-os áramellátás (generátor kellhet).
Az akkumulátorban tárolt áramot egy inverter 230V/50Hz-re visszaalakítja, amit normál elektromos berendezésekkel használhatunk. A villamos energia tárolása rontja a hatásfokot. Az akkumulátorok miatt rendszeres karbantartást, gondozást igényel, a téli hónapokban az akkumulátorok esetleges mélykisülése azok tönkremenetelét eredményezheti. A szigetüzemű napelemes rendszerrel, a berendezés magas költségei miatt jelenleg nem lehet versenyképesen villamos energiát előállítani.
Hálózatra kapcsolt
#
Korszerű megoldás, megfelelő méretezés esetén akár az egész évi áramfogyasztást fedezheti. A megtermelt és el nem használt villamos energia tárolása nem akkumulátorban történik, hanem a kisfeszültségű villamos hálózatba kerül visszatáplálásra. Karbantartási igénye kisebb, mint a szigetüzemű rendszeré, bekerülési költsége az akkumulátorok hiánya miatt szintén kisebb. Az időjárás függő áramtermelést a villamos hálózat segítségével kiegyensúlyozza, a nyári többlettermelést átveszi az áramszolgáltató (törvényi kötelezettségük). A rendszer csak kisfeszültségű hálózattal együtt működik, a megtermelt és hálózatra táplált villamos energiát kétirányú mérőórával lehet mérni, az odavissza mérő órát az áramszolgáltató biztosítja. Áramszünet esetén, érintésvédelmi okok miatt az energiatermelést le kell állítani. Éves elszámolást kérve az áramszolgáltatótól a nyári többletet télen visszavehetjük a hálózatból.
A napelemek által termelt egyenáram átalakítását 230V/50Hz-re és a hálózati visszatáplálást az inverter szabályozza. Az inverter speciális (grid inverter) rászinkronizálódik a hálózatra és áramkimaradás esetén automatikusan lekapcsol. Az áramszolgáltatók csak az általuk elfogadott és minősített invertereket fogadják el, ezek ára sajnos még magas. A kétirányú mérőórák ára és felszerelési költsége szintén növeli a beruházási költségeket. Mivel a napelemekkel termelt villamos energia nehezen tervezhető és bizonytalan, ezért az áramszolgáltatók csak egy meghatározott mennyiséget hajlandók átvenni. Ha van villamos hálózat (be van kötve az áram), akkor a korszerűbb és gazdaságosabb megoldás a hálózatra kapcsolt rendszer. A napelemes rendszerek 95% feletti arányban hálózatra kapcsoltak A hálózatra kapcsolt napelemes rendszer által előállított villamos energia ára versenyképesebb a szigetüzemben termelt megoldáshoz képest.
Hálózatra kapcsolt napelemes rendszer felépítése
#
A hálózatra kapcsolt napelemes rendszer felépítése és kapcsolódása: 1. A napelemek egyenáramot termelnek. 2. Az inverter az egyenáramot 230V/50Hz váltakozó árammá alakítja. 3. A kapcsolószekrényben csatlakozik a ház villamos rendszere és az inverter.
4. A napelem által megtermelt energiát a ház elfogyasztja 5. Az oda-vissza mérő óra rögzíti az el nem fogyasztott, hálózatba visszatáplált áram és az áramszolgáltatótól átvett áram mennyiségét
Napelem típusok Napelemeket technológiájuk alapján két fő csoportba lehet sorolni: a kristályos és vékonyrétegű napelemek. Kristályos napelemek: mono- és polikristályos technológia A kristályos napelemek a legrégebben használt, legkiforrottabb és a legelterjedtebb technológiának számítanak, 1954 óta gyártják tömeggyártásban. A napelemek a kristályos technológia esetén nagy tisztaságú szilícium cellákból épülnek fel, melyek sorba kötve és vízmentesen egy üveglap és egy műanyag hátlap közé laminálva kerülnek gyártásra.
#
A cellák gyártási technológiája alapján megkülönböztetünk monokristályos és polikristályos cellákat.
A különbség a két technológia között a szilícium tömbök előállításában van, amiből a cellákat vágják: A) a monokristályos szilíciumot elektromos térben húzzák ki henger alakúra, és a szilícium egy tömbben dermed meg (ezért mono, azaz "egy" kristályos). B) a polikristályos cellákat öntik négyzet alapú tömbökbe, eközben a szilícium több kristályban dermed meg (innen a poli, azaz "több" kristályos név). A monokristályos cellák az éleit levágják a henger alakú tömbből, hogy jobban el lehessen helyezni őket a napelem modulon. Leggazdaságosabban nyolcszög alakú cellákat lehet vágni a mono tömbökből. Így ránézésre is meg lehet különböztetni a poli- és monokristályos cellákat és az abból készült napelemeket, a polikristályos négyzet, a monokristályos nyolcszög alakú cellái alapján:
#
A gyártási eljáráson kívül a mindennapi gyakorlatban csak nagyon kevés és kismértékű különbség van a mono- és polikristályos napelemek között, hiszen végül is mindkét esetben ugyanaz a szilícium a félvezető réteg. Néhány eltérés: forró égövben a monokristályos modulok kicsit jobban teljesítenek, míg északon a polikristályos teljesít jobban; illetve általában minimálisan nagyobb a hatásfoka a mono celláknak.
Közép-Európában gyakorlatilag azonos mennyiségű áramot lehet megtermelni velük ugyanakkora összteljesítmény esetén, azaz nem lehet kimutatni szignifikáns éves különbséget egy pl. 1kW-os polikristályos és egy 1kW-os monokristályos rendszer között. Így jellemzően a gyártó, az ár, a beszerezhetőség és a tetőn való elhelyezhetőség alapján szokás választani köztük.
Vékonyrétegű technológiák A vékonyrétegű (vagy vékonyfilmes) technológiánál nem kristályos szilícium tömbökből vágnak cellákat, hanem a félvezető réteget kémiai vagy fizikai lecsapatással közvetlenül az üvegre, vagy akár más hordozó felületre viszik fel.
#
Ahogy a fenti képeken is látható, egységesen bevont felületről beszélünk, ahogy néhány mikron vastagságban, szinte filmrétegként viszik fel a félvezető réteget. A halvány csíkok utólagos, lézerrel történt bevágások a filmrétegen, ami a kedvezőbb Volt-Amper arányok beállítása miatt szükséges. A félvezető filmréteget és az alapanyagot a gyártási technológia határozza meg, jelenleg az elterjedt és már tömeggyártásban lévő vékonyrétegű technológiák a következők:
Az aSi-µSi, azaz amorf szilícium (aSi) és mikromorf (µSi) szilícium: ez a ma használt technológiák közül az egyik nagyon elterjedt, jelentős számú cég vágott bele az utóbbi években ilyen technológiájú gyártásba. A félvezető réteg itt is szilícium, mint a kristályos napelemek esetén, azonban nem kristályos tömbökből, hanem szilán gázból (SiH4) állítják elő: kémiai reakció során a hidrogént leválasztják a szilíciumról, ami így lerakódik az üvegre - vagy más felületre, pl. műanyagra, fémre is akár. Viszonylag kis hatásfokú technológia, aSi 5-6%-os, µSi (ami az aSi továbbfejlesztett változata) 7-9%-os. A CdTe, azaz kadmium-tellurid technológia: a másik fő vékonyrétegű technológia, de itt egy gyártó kezében (First Solar) koncentrálódik a termelés döntő része - olyannyira, hogy ma már ez a cég a világ egyik legnagyobb gyártója. A First Solar speciális, VTD gyártási technológiát (nagy hőfokú porlasztást) használ a gyártásban. Óriási szériában tudják előállítani 7-10% hatásfokú napelemeiket. CIGS, CIS, azaz réz-indium-gallium-diszelenid és réz-indium-diszelenid: a vékonyrétegű technológiák újabb változata. Tömeggyártása csak 2010-ben indult be, addig csak pilot-sorokon folyt a gyártás és fejlesztés, általában 5-20MW éves kapacitással. Nagyon sok cég fejleszt ilyen gyártási módokat, mivel 9-12%-os hatásfokot is el lehet érni az ilyen napelemekkel. Azonban egyelőre nem sikerült igazán olcsó gyártási módot találni, és az alapanyagok közül némelyik szűkösen hozzáférhető és drága, de a nagyszámú fejlesztések miatt ígéretes és lassan elérhető technológiának számít. Léteznek még más vékonyrétegű technológiák is (pl. műholdakon használt indium-ezüst-gallium és egyéb ritka fémek ötvözete, és általában rendkívül magas gyártási költségen), azonban tömeggyártásban, azaz kapható modul formájában a fentiek a ma vékonyrétegű technológiái. Előnyök, hátrányok, alkalmazás Vékonyrétegű napelemek a világ napelemes piacának 20%-át jelentik, és viszonylag új technológiának számítanak, de azért már kipróbált és elfogadott megoldásnak tekinthetők. Mivel kisebb a hatásfokuk, így családi ház tetőjére nagyon ritkán kerülnek, mert nagyobb a területi igényük a kristályos napelemekhez képest. Inkább erőművi (földre telepített) alkalmazásuk gyakoribb.
A vékonyrétegű napelemeknek jobb a hőmérsékleti együtthatója, így főként a sivatagos, nagyon meleg környezetben (tehát nem Közép-Európában) van előnye, mert nagy melegre kevésbé érzékenyek, mint a kristályos napelemek.
Napelemes tetőcserép, integrált napelemek A hagyományos, modulonként beépített napelemek esetén technológiájuk alapján megkülönböztetünk kristályos és vékonyrétegű napelemeket. Beépítés szerint még szokás megkülönböztetni egy harmadik kategóriát, az integrált napelemeket: árnyékoló elemekként, építészeti megoldásként, vagy tetőbe építve, néha tetőfedést helyettesítő megoldások, mint pl. napelemes cserép.
A napelemek élettartama A gyártók legtöbbször 10 év 90%-os, illetve 25 év 80%-os teljesítménygaranciát vállalnak minden monokristályos és polikristályos Si alapú napelemre. Minden napelem elején, megnövelt fénygyûjtô tulajdonsággal rendelkezô edzett üveg nyújt megfelelô védelmet, minden idôjárási körülményben. A napelemek esetleges meghibásodásai A napelemek tervezhető élettartama megközelítőleg 25-év, azonban ritkán, de előfordulhat a meghibásodása. Az első és talán leggyakrabban előforduló a viharkár, bár a napelem védőüvege általában edzett, de sajnos ez sem véd meg a nagyobb jégdaraboktól és a lehulló faágaktól, ebben az esetben a napelem törik, ez sajnos nem javítható. A másik gyakori hiba, hogy a laminálásban valamelyik villamos kötés meghibásodik, sajnos ez sem javítható, bár a mostanában elterjedt víztiszta átlátszó szilikon impregnálásba rögzített cellák esetén érdemes megpróbálkozni a javítással. Cella meghibásodások: A modulokat felépítő cellákban a hőmérsékletváltozás és mechanikai feszültségek hatására mikrotöredezettségek és szakadások jöhetnek létre. Ezt vizsgálhatják hőkamerával és elektro-lumineszcencia felvételek segítségével. Nagyrészt ettől függ egy modul hosszú távú teljesítőképessége, tehát az egyik legfontosabb tulajdonságról van szó. A kisebb töredezettségek idővel a cellák teljes kiesését okozhatják, ami a modul teljesítményének esését eredményezi a természetes degradáción túl.
# A cellák részleges kitakarása ellenáramú táplálást jelent az adott cellára, ez tartós esetben a cella teljesítménycsökkenését, vagy teljes meghibásodását is jelentheti. Általánosan elmondható, hogy a soros cellabekötések miatt mindig a legkisebb teljesítményű cella határozza meg a panel teljesítményét, bármelyik cella mikrorepedése, vagy ellenáramú táplálás miatti meghibásodása az egész panel jelentős teljesítménycsökkenését eredményezi. 1. Épületbe integrált napelemes megoldások (BIPV) Építészeti szempontból a jövőben fontos területe lehet a napelemek felhasználásának a beépített, épületbe integrált napelemek (pl. üveget helyettesítő) megoldásai. Ez évek óta önálló irányzata a napelemek fejlesztésének, és a nemzetközi szakmai anyagokban BIPV-ként említik (Building Integrated Photovoltaics - azaz épületbe integrált fotovoltaikus megoldások).
#
A napelemek árnyékoló, dekorációs céllal, jellemzően üveg helyett kerülnek beépítésre, általában félig átlátszó megoldásokkal. Ezek a megoldások azonban
kis szériás egyedi gyártás miatt azonban ma még a "sima" napelemek többszörösébe kerülnek, így alkalmazásuk nagyon ritka. 2. Tetőbe integrált, vagy tetőfedés helyettesítő napelemes megoldások Ide sorolható a napelemes cserepek, napelemes zsindelyek és komplett tetőfedést helyettesítő megoldások. Ezek mindegyikéből több tucat gyártó található világszerte.
#
A hagyományos napelemekhez áraihoz képest ezek a megoldások általában 2-3szoros árat jelentenek, ami még a kiváltott cserép és tetőfedés árát leszámítva is jelentősen költségesebb megoldást jelent. Emiatt ez a megoldás nagyon ritka, általában csak bemutató vagy reprezentatív célból épül, ahol a gazdaságosság és megtérülés nem szempont.
A BIPV megoldások és a tetőbe integrált napelemes megoldások egyelőre a világ napelemes piacán alig kimutatható, 1% alatti részesedést jelentenek. Bár építészetileg érdekesek, várhatóan csak 10-15 év múlva lesz jelentősebb részesedésük, ha ezek a megoldások a hagyományos építőanyag áraival is versenyképesek lesznek.
Inverter Az inverter a hálózatra kapcsolt napelemes rendszer "szíve": velük lehet a napelemek által termelt egyenáramot (DC) átalakítani a gépeink és a villamos hálózatokon használt váltóárammá (AC).
#
A fenti képeken a világ vezető invertergyártóinak néhány típusa látható. Az invertereket általában a garázsban, kazánházban, pincében, jól szellőző padláson szereljük fel, de kültéren is elhelyezhető. A hálózati inverterek fő funkciói: - a napelemek által termelt egyenáramot váltóárammá alakítja,
- a váltóáramot a villamos hálózat értékeihez szinkronizálja, védelmi funkciókat lát el, - megjeleníti a termelt áram mennyiségét, monitoring rendszerrel kiegészítve számítógépen is követhető részletes információkat ad az áramtermelésről. Az inverterek méretezése Kisebb rendszereket egyfázisú inverterekkel szokás szerelni (családi házaknál ez a jellemző), nagyobb rendszereket háromfázisú inverterekkel. Erőművi, több száz kilowattos rendszerek pedig akár konténernyi, középfeszültségre is kapcsolható inverterekkel és trafóval működnek. Az inverterek méretezésénél a beépíteni kívánt napelemek összteljesítménye határozza meg. Javasolt a kiépített rendszerhez méretezett invertert használni, mert bár az inverterek széles tartományban tudnak dolgozni, jó hatásfokkal (ld. később) megfelelő méretezés mellett tudnak dolgozni. Jó minőségű hálózati inverterek általában 2kW-nál indulnak. Ennél kisebb inverterek is léteznek, de általános szabályként elmondható, hogy minél kisebb az inverter, annál drágább az 1 Wattra jutó költsége. A jó minőségű inverter a napelemet az optimális munkapontban terheli, megkeresi a napelem maximális munkapontját (maximum power point tracking, MPPT). A napelemek optimális munkapontja változik mind a megvilágítás, mind a napelem réteg hőmérsékletének függvényében. Mivel ezek a jellemzők gyorsan változnak, ezért az MPPT folyamatosan megkeresi az optimális munkapontot.
#
#
# Inverterek hatásfoka
Minden inverter adatlapján szerepel egy százalékban megadott hatásfok érték, általában a következő formában: #
A hatásfok százalékban azt fejezi ki, hogy mekkora veszteséggel dolgozik az inverter, azaz a bejövő egyenáramból az átalakítás során mennyi vész el. A fenti példában a maximális hatásfok az ideális körülmények (tökéletes besugárzás és hőmérséklet) esetén fennáló veszteségre utalnak (3% a példában). A második adat az Euro-hatásfok, ami pedig az Európában szokásos átlagos üzemelés és időjárás esetén meglévő veszteséget jelenti (3,7% ebben a példában). A modern inverterek 95% feletti hatásfokkal dolgoznak, a legjobb inverterek 98%-osak ma a piacon. Inverter technológiák Két fő technológiával épülnek a ma kapható hálózati inverterek: transzformátorral és transzformátor nélkül. A két technológia alap topológiája itt látható (forrás és rajzok: SMA)
#
A transzformátor nélküli inverterek általában magasabb hatásfokúak, újabb technológiának számítanak. Vékonyrétegű napelemekhez azonban általában korlátozottan használhatók. Az inverterek élettartalma
Invertereket jellemzően 5 év garanciával kínálják a gyártók, várható élettartamuk 10-15 év. Ez azt is jelenti, hogy egy napelemes rendszernél és annak jellemzően tervezett 25 éves élettartama alatt egyszer számolni kell az inverter cseréjével.
Napelem rögzítése Napelemek telepítésénél nagyon fontos a rögzítés minősége, mivel 20-30 évre tartós, erős és az időjárásnak ellenálló rögzítéssel kell felrakni. Ezért csak hosszú távon is rozsdamentes rögzítést, alumínium és rozsdamentes acél rögzítési elemeket használunk tetőn.
Napelem rögzítése cserepes tetőre Galvanizált vagy horganyzott vas kezelés és ellenőrzés nélkül 5-15 év után korrodálódik, így tetőre (ahol rendszeres ellenőrzésük nehezen biztosítható) az ilyen rögzítési megoldást nem javasoljuk. A napelemeket rögzíthetjük ferdetetőre, lapostetőre vagy földre. A megfelelő (Magyarországon 30-40 fok közötti) dőlésszög kialakításához lapostetőn vagy földön alépítmény szükséges, így ezek költségesebb rögzítések. Ha van jó, dél-kelet és dél-nyugat közötti tájolású ferdetető, arra való rögzítés a gazdaságosabb megoldás. A napelemek felszerelésénél gondoskodni kell azok hátoldali szellőzési lehetőségéről, ugyanis növekvő hőfoknál csökken a napelem által leadott teljesítmény.
Napelem rögzítése cserepes tetőre
Napelem rögzítése lapos tetőre
#
Napelem rögzítése talajra
#
Napelem megtérülés és hozamok Hogy megtérülést számíthassunk, először is tudni kell, hogy mennyi megtermelt áramra számíthatunk napelemes rendszerünkből. Leegyszerűsítve úgy számolhatunk, hogy déli irányba tájolt, 30-40 fok dőlésszögű 1 kW-os (1000 Watt összteljesítményű) napelemes rendszer átlagosan évente 1100 kWh áramra számíthatunk. Azaz egy átlagos családi házra szerelt 2-3kW-os rendszer 2200-3300 kWh-t tud megtermelni évente.
A fenti szám országos átlagnak mondható, természetesen van kisebb eltérés országos szinten is: - Nyugat- vagy Észak-Magyarországon inkább 1050 kWh várható, - Dél-Alföldön pedig 1150 kWh várható 1kW-os rendszertől. A pontos számításhoz lehet egyszerű modellt alkalmazni, vagy egész komplex üzleti terv szerinti megközelítéssel és számos további változóval is lehet kalkulálni (pl. infláció vagy meg nem keresett kamat, villamos energia áramelkedése, finanszírozási költség, napelem degradáció, biztosítási díj, és még egyéb tényezők és költségek).
#
A lakosság bekapcsolódása az energiatermelésbe A háztartási méretű rendszerek terén kiemelkedik a Spanyol IBESOL cég a napelemes és a napkollektoros rendszereivel. A napenergia lakossági felhasználásával kapcsolatban korábban szkeptikus voltam, de ezen néhány tény változtatott. 1. Magyarország klímája sajnos folyamatosan melegszik, ez növeli a gazdaságosságot.
2. A majdnem nulla százalékos banki reálkamathoz képest, a viszonylag kis hozamú napkollektoros vagy napelemes rendszerek is lehetnek gazdaságosak. 3. Ha a lakosság telepíti a rendszereket, akkor ez nem állami tehervállalás. A beruházás költségeit és esetleges rizikófaktorát is a lakosság vállalja, míg egy nagy erőműépítés mindig jelentősen igénybe veszi a költségvetést. 4. Soha még senki nem vetette fel azt a kérdést, hogy mikor térül meg egy gázkazán, vagy egy benzinüzemű autó ára. 6. A napelemek és a napkollektorok akkor termelik a legtöbb energiát, amikor a nyári villamos energia felhasználási csúcsok vannak, ilyenkor a klímák üzemeltetése sok energiát igényel. A nyári meleg miatt a lakosság sok meleg vizet használ fürdésre, illetve a medencék feltöltésére, ez napkollektorral jól biztosítható. A klíma miatt Spanyolországban szinte minden családi házban található medence.
A tanulmányút valamennyi résztvevője számára nagy élmény volt a kint eltöltött idő. A látottakat jól tudjuk majd hasznosítani szaktanári munkánkban. A szakmai programok mellett esténként lehetőség adódott városnézésre, egy kis kikapcsolódásra is. A kiutazók kissé fáradtan, de élményekben, tapasztalatokban rendkívül gazdagon érkeztek meg.
