G07 eladás* Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói

SOLTRAIN – G07 el adás Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói

G07 el adás* Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói Werner Roth Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg Tel.: +49-761-4588-5227, Fax: +49-761-4588-9227 E-mail: [email protected]; Internet: www.ise.fraunhofer.de

1

Bevezetés

A napenergia kis regionális különbségekkel az egész világon elérhet , az energiaszükségletet meghaladó mennyiségben. A napenergia hasznosítása sok sürg s problémára nyújt fenntartható megoldást. Például a napenergia környezetbarát, mivel a használata során nincs káros anyag kibocsátás. Az elosztott energia-termelésre szintén kiválóan alkalmas. A villamos áramellátásra a fotovillamos (PV) rendszerek – amelyek a napenergiát közvetlenül villamos energiává alakítják-, ígéretes módját adják az energia ellátásban való részvételnek, ráadásul anélkül, hogy a környezetre súlyosabb hatást gyakorolnának, vagy más energiaforrásokat használnának fel. A fotovillamos áramforrások moduláris felépítése a megújuló energián alapuló rendszer különlegesen széles teljesítménytartományában való alkalmazását teszi lehet vé: a néhány mW teljesítmény karórától kezdve a hálózattól távoli néhány kilowatt fogyasztású felhasználókon át (pl. hegyvidéki kunyhók) a hálózatra kapcsolt, néhány MW teljesítmény naper m vekig. A PV rendszerek több tekintetben különböznek a hagyományos energiaellátó rendszerekt l. A rendszer m ködését a helyi klimatikus peremfeltételek és a felhasználó viselkedése is er sen befolyásolja. A fotovillamos energia ellátó rendszerek ezen speciális jellemz inek pontos ismerete emiatt fontos el feltétele a PV rendszerek tervezésének, méretezésének, telepítésének és karbantartásának. A továbbiakban el ször a fotovillamos eszközök történetét ismertetjük röviden. Azután a napenergia potenciál kerül bemutatásra, amit összehasonlítunk a világméret els dleges energiafogyasztással. Ezt követ en néhány fogalmat definiálunk annak érdekében, hogy különbséget tudjunk tenni a különböz típusú fotovillamos rendszerek között. Ez után különféle fotovillamos energiatermel rendszerek szerkezetét ismertetjük blokkdiagramok formájában. Ennek kapcsán a különböz szükséges komponensek szerepe is tárgyalásra kerül. Végezetül néhány példát mutatunk be a fotovillamos energia termelésére. * A fordítás a Soltrain projekt (4.1030/Z/02-067/2002 sz. EU Altener program) keretében, a SzIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék gondozásában készült.


2

A fotovillamosság története

A „fotovillamos” kifejezés a fény közvetlen villamos energiává átalakítására utal. Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus figyelte meg el ször a végbemen fizikai folyamatot 1839-ben. Ebben a kísérletben azt tapasztalta, hogy elektrolit oldatba helyezett elektródát megvilágítva a vezet képesség a besugárzással arányosan megn . A jelenség további magyarázatát adták W. Adams és R. Day angol fizikusok 1877-ben, akik megfigyelték, hogy a fénynek kitett szelénium villamos áramot termel [1]. 1954-ben D. M. Chapin, C. S. Fuller és G. L. Pearson az amerikai Bell Laboratories munkatársai kifejlesztették az els PV cellát kristályos szilíciumból, ami 6%-os hatásfokával abban az id ben nagynak számított. Néhány év múlva a hatásfokot sikerült 10%-ra növelni. 1958-ra a fotovillamos eszközöket már m holdak, rszondák és rállomások energiaellátására használták. 1973-ban az olajválság fordulópontot jelentett a fotovillamos eszközök földi felhasználásában. Attól kezdve számos kutatás és fejlesztés kezd dött világszerte, új kutatóintézeteket alapítottak. A költségek csökkentésének összes lehetséges módját intenzíven keresték, mert a széles kör használat legnagyobb gátja a nagyon magas beruházási költség.

3

A napenergia potenciálja

Minden évben mintegy 8·108 TWh energia érkezik a Föld felszínére a Napból. Összehasonlításképpen az emberiség éves els dleges energiafelhasználása 1·105TWh-nál alig több, vagyis a napenergiás potenciál 8000-szer nagyobb, mint a világ energiaigénye. 6

2

Még ha csak a szárazföldek 149·10 km területét vesszük is figyelembe (a Föld felszínének 29%-a) a besugárzott energia akkor is 2300-szor nagyobb az energiaigénynél. Még azzal a feltételezéssel is, hogy a besugárzott energiának csak a tört része használható fel emberi felhasználás céljára, a rendelkezésre álló napenergia még mindig elegend a teljes energiaigény kielégítésére.

4

A különböz fotovillamos alkalmazások leírására használatos fogalmak definiálása

A fotovillamos alkalmazásokat két f csoportba szokás sorolni, a hálózaton kívüli és a hálózatra kapcsolt rendszerek csoportjára. A hálózaton kívüli csoporton belül a hálózattól távoli és a hálózat elérési körzetébe es osztályokat szokás megkülönböztetni. Egy másik ismérv a rendszer teljesítménye; a legnagyobb teljesítmény rendszereket fotovillamos er m veknek nevezik. Bár az ily módon definiált kategóriák átfedik egymást, ahogy az 1. ábrán is látható. A hálózat elérési körzetébe es alkalmazások els sorban gazdasági, menedzseri, biztonsági vagy környezetvédelmi okokból használnak fotovillamos energia ellátást, mint az egyébként elérhet villamos hálózat alternatíváját. 2


Ha az eszközöket épületek belsejében használjuk, beltéri alkalmazásokról beszélünk. Egy másik szempont szerint felhasználói és ipari alkalmazások között teszünk különbséget. Az alkalmazási példák között közismertek a néhány µW teljesítmény fotovillamos áramforrásoktól a néhány száz wattos tartományig terjed kisebb alkalmazások, mint pl. az elem nélküli zsebszámológépek, a parkolóórák és a buszmegállók világítása. Hálózattól távoli fotovillamos rendszerekr l beszélünk, ha a villamos hálózat nem elérhet , például távoli elzárt területekben vagy rossz infrastruktúrájú országokban. Mikor egy ilyen rendszer elég nagy méret azt mikrohálózatnak vagy autonóm rendszernek nevezzük. A hálózatra kapcsolt rendszerek a megtermelt energiát egy inverteren keresztül visszatáplálják a villamos hálózatba. A hálózatra kapcsolt rendszerek teljesítménye széles skálán mozoghat: a kisméret , elosztott, rendszerint háztet kre telepített, néhány kW teljesítmény rendszerekt l a központi rendszerek MW nagyságrend teljesítményéig. Ezen rendszerek rendszerint nagy meglév szerkezetek szabad felületeit használják (pl. nagy tet k, homlokzatok és hangvéd falak, vagy nyílt térségekre telepítettek önálló tartószerkezettel). Hálózat független energiaellátás Fogyasztói alkalmazások

Hálózat kapcsolt rendszer

Ipari alkalmazások

Hálózattól távoli települések

telekommunikácó

villamos világítók

közlekedési jelzések

háztartási szolár rendszerek

beltéri

kültéri

számológépek

tölt készülékek

villamos mérlegek

szök kutak

órák

zseblámpák

kijelz k

települési energiaellátás

villamos szerszámok

kerti fények

navigációs fények

akkumulátor töltés

mobil telefonok

házszám világítás

katódos védelem

víztisztítás

táv felügyelet

öntözés

autó szell ztetés

hegyi éttermek/hotelek

utcai világítás

csónakok

oltóanyag h tés

iskolák

távközlés

Elosztott

Központi

magán házak tet i

közüzemi energiaellátó

oktatás/ iskolák

osztatlan közös tulajdon

homlokzatba integrálás

zajvéd fal

1. ábra: Fotovillamos alkalmazások (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

5

Fotovillamos energiaellátó rendszerek tervezése

A fotovillamos áramforrások moduláris felépítése rendkívül széles skálán mozgó teljesítményszinttel teszi lehet vé az energia ellátó rendszerek tervezését. De a teljesítményt l függetlenül a tervezési feladatok nagyon hasonlók. 3


5.1 Kisebb eszközök m ködtetésére szolgáló fotovillamos rendszerek A kisebb alkalmazások, eszközök energiaellátására szolgáló fotovillamos rendszer f részei a fotovillamos (PV) elemek, a töltésszabályozó, az akkumulátor és a feszültségszabályozó (2. ábra) Igen kis alkalmazásoknál (pl. órák, zsebszámológépek) a fotovillamos áramforrás csak egy (vagy néhány) napelemb l áll. Nagyobb kimen teljesítmény esetén a napelemeket modulokba építik.

Töltés szabályozó

PV elemek

Feszültség szabályozó

DC terhelés

akkumulátor 2. ábra: Kis fogyasztót m ködtet fotovillamos rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

A kis berendezések energiaellátására szolgáló speciális kis modulok mellett szabványos modulokat gyártanak a nagyobb energiaigény kielégítésére. Ezeket a szabvány modulokat úgy méretezik, hogy 15-17V-os névleges feszültséget adjanak, és így alkalmasak legyenek a 12 V névleges feszültség akkumulátorok töltésére. A modul kiválasztásánál a kimen teljesítmény és a feszültség értékét kell figyelembe venni. Ezen kívül a modul mechanikai szerkezete el kell hogy viselje az id járási és klimatikus viszonyokat hosszú id n át. A rendelkezésre álló hely és a beépítés módja, a geometriai méretek, a fizikai jellemz k és a modul keretének csatlakozási lehet ségei szintén fontos szerepet játszanak a kiválasztásban. Az energiatároló akkumulátor túltöltés illetve mélykisütés elleni védelmét a töltésszabályozó végzi, amit a napelemek, az akkumulátor és a terhelés közé kapcsolják. A töltésszabályozók rendszerint egy kisütés véd diódát is tartalmaznak, amely megakadályozza, hogy a napelemeken keresztül az éjszaka folyamán kisüljön az akkumulátor. Egy jó töltésszabályozó nagyon kis áramot fogyaszt, és rendelkezik mélykisütés védelemmel, amely túl alacsony feszültség esetén az akkumulátor terhelését megszakítja. Az akkumulátor a fotovillamos elemek által termelt energiát tárolja rossz id járás esetére, illetve éjszakai felhasználásra. 4


A fotovillamos alkalmazások rendszerint nikkel-kadmium vagy nikkel-fémhibrid akkumulátorokat használnak az energiatárolásra, bár ólom, litium-ion akkumulátorok és kondenzátorok is használatosak. A kisebb fotovillamos alkalmazások általában savas ólom akkumulátort használnak. Ezek a speciális autóakkumulátorok extra vékony ólomlemezekkel (szolár akkumulátoroknak nevezik) f ként a hordozható alkalmazásokhoz alkalmazandók, pl. kempingez k, hajók és hétvégi házak villamos fogyasztóinak ellátására. A fotovillamos rendszerrel ellátott lakhelyként szolgáló házak és napi töltés/kiütési ciklus esetén rendszerint csöves-lemezes akkumulátorok („OPzS”) használatosak, amelyek mélykisütés ciklusaik miatt hosszú élettartamúak. Néha közönséges autóakkumulátorokat használnak a házi napelemes rendszerekben, mert könnyebben beszerelhet k és olcsóbbak. Néhány alkalmazáshoz gondozásmentes akkumulátor használata indokolt, ezekben az elektrolit zselével rögzített. Ezen akkumulátorok 100-ad annyi kénsav g zt bocsátanak ki, mint a folyadék elektrolitos ólom akkumulátorok, ami lehet vé teszi, hogy az elektronikával azonos térbe helyezhet k. Mivel a gondozásmentes akkumulátor szivárgásmentes is, így tetsz leges pozícióban használható. A feszültségszabályozó a fotovillamos rendszer feszültségét a fogyasztó feszültségéhez illeszti. A fotovillamos rendszerekkel üzemeltetett fogyasztók esetén ez rendszerint egy DC/DC konverter, amely az adott egyenfeszültséget a fogyasztó által igényelt egyenfeszültséggé alakítja.

PV elemek (napelemek)

Feszültség szabályzó

Fogyasztó

3. ábra: Energiatárolás nélküli fotovillamos rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Ha az igény és a bejöv energia egy id ben jelentkezik, a kis eszközök energiaellátásához nincs szükség akkumulátorra. (3. ábra) A zsebszámológép, a ventillátor és a szivattyú például ilyen eszközök. 5.2

Hálózattól távoli, közepes fotovillamos energia ellátása.

vagy

nagyteljesítmény

fogyasztók

Ha nagyobb teljesítményre van szükségünk, vagy hagyományos háztartási vagy ipari eszközöket szeretnénk használni, 230V-os váltakozófeszültséget szükséges használni. Ennek elérésére egy invertert kell a rendszerbe integrálni (4. ábra). Az inverter a fotovillamos generátor által termelt egyenáramot (vagy az akkumulátor áramát) váltakozóárammá alakítja.

5

SOLTRAIN – G07 el adás Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói töltésszabályozó


inverter

Villamos hálózat

akkumulátor

4. ábra: Váltakozóáramú kimenettel rendelkez fotovillamos rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

A mi földrajzi szélességi körünkön kizárólag a fotovillamos rendszerre épül energiaellátó rendszer a napsugárzás nagy éves ingadozása miatt nagy mennyiségü napelem alkalmazását igényli. Ugyanez igaz egy olyan fotovillamos rendszerre is, amely nagy rendelkezésre állást biztosít. Emiatt a hibrid rendszer néven ismert, többféle generátortípust tartalmazó rendszerek terjedtek el. A fotovillamos generátorok dízelgenerátorokkal való kombinálása a villamos hálózattal egyenérték energiabiztonságot ad (5. ábra).

PV elemek (napemek)


Akkumulátor

generátor

inverter

Házi villamos hálózat

Akkumulátor tölt

5. ábra: fotovillamos elemekb l és motorgenerátorból álló hibrid rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Ha a napsugárzás megfelel , a napelemek környezetkímél módon képesek a teljes energiaigény kielégítésére, káros-anyag kibocsátás és zaj nélkül. A többletenergiát akkumulátorok tárolják el, amelyb l éjszaka, vagy rossz id esetén fedezhet az 6


energiaigény. Amikor fennáll az akkumulátorok mélykisülésének veszélye, dízel-, vagy cseppfolyósított petróleum üzemanyagú gázmotor generátort indítanak az energiaigény fedezésére és egyidej leg a lemerült akkumulátorok feltöltésére.



szélturbina

Akkumulátor tölt

generátor

Akkumulátor tölt

akkumulátor

inverter

Házi villamos hálózat

6. ábra: Fotovillamos elemekb l, szélgenerátorból és motorgenerátorból álló hibrid rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Szeles területeken szélturbina is csatlakoztatható a rendszerhez (6. ábra). Mivel megfelel tervezés esetén a fotovillamos és a szélgenerátor nagyon jól kiegészítik egymást ilyen rendszernél a motorgenerátor m ködési ideje csökkenthet , és így a fosszilis energiafelhasználás minimalizálható. A jöv ben a PV hibrid rendszerekben a tüzel anyagcella is használható /3/. Ha a fogyasztó teljesen függetlenné akar válni az üzemanyag ellátástól és teljesen autonóm rendszert akar, egy elektrolizálót és egy hidrogéntárolót kell a rendszerbe integrálni (7. ábra). Nyáron, amikor a fotovillamos elemek többlet energiát termelnek, akkor az akkumulátorok teljesen feltöltöttek, és az elektrolizáló hidrogént termel, amit tárolnak és télen a tüzel anyagcellában felhasználnak.

7




inverter

Villamos hálózat

akkumulátor Tüzelöanyag cella


Hidrogén tároló rendszer

Elektrolizáló egység

7. ábra: Fotovillamos elemeket és éves hidrogéntároló rendszer kombinációját tartalmazó autonóm energiaellátó rendszer (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

5.3

Hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek

A fotovillamos rendszerek a megtermelt villamos energiát egy inverteren keresztül az villamos hálózatba tudják táplálni. Ennek az el nye, hogy nincs szükség tárolóegységre (akkumulátorra), mert a megtermelt energia máshol is felhasználható, s ezáltal a hagyományos er m vek energiatermelése csökkenthet . A hálózatra termelt energiából a napenergia részesedése jelenleg kicsi, de az el rejelzések fontos szerepet jósolnak neki. Az állami támogatási rendszerek (mint például a 100000 tet program Németországban) keretében a hálózatra termelt energia ellenértéke fedezi a költségeket, és jogi keretek (mint például a német Megújuló Energia Törvény) el segítik az ilyen rendszerek piacra jutását. Ha a kis, elosztott rendszerek által a hálózatra termelt energia kompenzációja alacsonyabb a hálózatról kivett energia áránál az inverter a megtermelt energiát a hálózat helyett közvetlenül a ház villamos hálózatába vezeti (8. ábra).

8


ház villamos hálózat

PV generátor (napelemek)

inverter energia betáplálás a villamos hálózatba

energia fogyasztás

villamos hálózat 8. ábra: Kis, elosztott fotovillamos rendszer, ami a ház hálózatát táplálja (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Napfényes id szakban a rendszer a ház villamos fogyasztóit látja el energiával, és a többletenergia egy mér órán át az villamos hálózatba kerül. Rossz id esetén és éjjel a háztartásba szükséges villamos energiát a hálózatokból nyerik. Ilyen típusú rendszerek közelít leg néhány kWp teljesítmény ek. Ha a napenergiás rendszer által termelt, és a hálózatba táplált energia kompenzációja nagyobb, mint a hálózati villamos energia ára, a rendszert a 9. ábra szerinti elrendezésben tervezik.

9



PV generátor (napelemek)

inverter energia betáplálás a villamos hálózatba

energia fogyasztás

villamos hálózat 9. ábra: Közvetlenül a hálózatra dolgozó kis, elosztott fotovillamos rendszer (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

A fotovillamos rendszerek moduláris felépítése lehet vé teszi nagy, hálózatra kapcsolt fotovillamos er m vek építését. Ezek a rendszerek inverter segítségével közvetlenül a közép-vagy nagyfeszültség hálózatba táplálják az energiát.

Villamos hálózat PV elemek (napelemek)

Inverter

10. ábra: Fotovillamos er m elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

5.4

A fotovillamos alkalmazások szerepe az elosztott hálózatokban

Az európai energiapiac újraszabályozása a villamos energia el állítása, elosztása és kereskedelme terén sokkal nagyobb versenyhelyzetet teremt. A villamos hálózatok hozzáférhet sége, és adott feltételek esetén a hálózat harmadik fél számára biztosított használata új szerepl k megjelenését eredményezi a piacon, akik viszont a jelenlegi trendet, az villamos energia elosztott termelését er sítik. Ebben a folyamatban a fotovillamos rendszerek az új ellátó rendszerek elemeivé válhatnak. A 11. ábra egy példát mutat arra, hogy a jöv ben hogyan nézhetnek ki az elosztó rendszerek elosztott villamos generátorokkal. 10


atomer m

nagyméret vízer m



széntüzelés er m

nagy feszültség hálózat középfeszültség hálózat Kisfeszültség hálózat

PV

tüzel anyag akkumucella látor

PV generátor (napelem)

szélenergia nagy méret PV generátor (napelem)

CHP (kombinált h - és villamos energia termel egység)

11. ábra: Elosztott generátorokkal táplált jöv beli energiaellátó hálózat elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

6

Példák fotovillamos energiaellátó rendszerekre

A fotovillamos elemek gyakorlatilag elny hetetlenek, mivel nincs mozgó alkatrészük. A kristályos szilícium cellák hatásfoka évtizedeken át stabil érték. Emiatt a fotovillamos rendszer hosszú élettartamú és kevés karbantartást igényel. Ahogy már a korábbiakban is említettük, a fotovillamos rendszer modularitása miatt az összes többi villamos generátornál szélesebb kimen teljesítmény tartománnyal rendelkezik. A fotovillamos rendszer környezetbarát, mert a napfényen kívül nem igényel üzemanyagot. Az alábbiakban bemutatott példákkal azt kívánjuk bemutatni, hogy milyen változatos és látványos alkalmazási lehet ségei vannak a fotovillamos energia ellátásának.

11


6.1 Hálózat nélküli, beltéri alkalmazások

6.1.1 Fotovillamos energiával m ködtetett konyhai mérleg A 12. ábrán bemutatott villamos háztartási mérleg elem és villamos csatlakozó nélkül m ködik. Nincs szükség akkumulátorra, mert az energiatermelés és felhasználás egyidej , a folyadékkristályos kijelz t ugyanis sötétben úgysem lehet leolvasni. Az amorf szilícium cellákat a mérleg házába integrálták, hogy védve legyenek. Igen látványosak.

12. ábra: Fotovillamos energiaellátású villamos konyhai mérleg (Fotó: Soehnle-Waagen GmbH + Co.KG, Murrhardt, Germany).

6.1.2 Napenergiás habver A 13-as ábrán látható habver tejszínhab, tej, italok és salátaöntetek keverésére és felverésére szolgál. Napközben az ablak közelébe helyezve a beépített akkumulátor feltölt dik, és így tetsz leges id pontban használható.

12


13. ábra: Napenergiás habver (Fotó: Solarc, Berlin, Germany).

6.2 Kültéri hálózat közeli és hálózattól távoli alkalmazások

6.2.1 Akkumulátortölt vaku akkumulátorokhoz A 14. ábrán látható akkumulátortölt különböz villamos eszközök akkumulátorainak töltésére alkalmas. Az akkumulátorok belül, a burkolat védelmében vannak. Három LED jelzi ki az ólomakkumulátorok állapotát. Amikor az akkumulátorok feltölt dtek, kiemelhet k a házból, és a vakuba helyezhet k. Így a profi vagy amat r fotósoknak a hálózattól távoli helyen sem kell vaku nélkül képeket készíteniük.

13


14. ábra: Fotovillamos akkumulátortölt vakuhoz (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

6.2.2 Napenergiás világító házszámok Sok információnak olvashatónak kell lenni éjszaka is. Ezért a ment k, a rend rség, a t zoltók régóta igénylik az utcanevek és házszámok éjszakai világítását.

15. ábra: Fotovillamos energiaellátású világító házszámtábla (Fotó: LiSol, Deizisau, Germany).

14


A házszámtábla napenergiás kivilágítása (lásd 15. ábra) ólomakkumulátorban tárolja a napközben összegy jtött energiát. Amikor besötétedik, a kivilágítás automatikusan bekapcsol, majd másnap reggel automatikusan kikapcsol. Az egész folyamat és az akkumulátor állapota elektronikusan szabályozott, így a rendszer teljesen automatikus és karbantartásmentes. A világító felület floureszkáló, amelynek fényelnyelése és visszaverése napközben is könnyen olvashatóvá teszi a feliratot. A világításra LED-et (fénykibocsátó dióda) használnak. A házszámtábla csak egy példa a világító alkalmazások lehet ségére, de rengeteg egyéb lehet ség is van, pl. nagyobb útjelz táblák, utcanevek, reklámtáblák. 6.2.3 Napenergiás segélyhívó telefon és információs rendszer A 16. ábrán látható segélyhívó telefon és információs rendszer utak mellé, városokban, buszmegállókban és pihen övezetekbe telepíthet .

16. ábra: Fotovillamos energiaellátású segélyhívó telefon és információs rendszer (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Az eszköz egyrészt rádiótelefonként m ködik, másrészt információkat (pl. közlekedési, id járási adatok) továbbíthatók vele a telepítés helyszínér l a központba. Egy energiaellátó rendszer látja el a segélyhívó telefont és az érzékel ket feszültséggel, amely szükség esetén kikapcsolja a nem kritikus fogyasztókat, ha nincs elég energia. /4/. Az energiaellátó rendszer használatának a célja a segélyhívó telefon megbízható m ködésének biztosítása.

15


6.2.4. Fotovillamos energiával m ködtetett átjátszó-adó Az átjátszó adók általában látótávolságban kell hogy legyenek egymástól, a hálózattól távoli területeken is. Ebben az esetben azonban az villamos hálózathoz csatlakozás bonyolult és drága, emiatt az energiaellátásra egyre több helyen fotovillamos rendszert használnak.(17. ábra)

17. ábra: Fotovillamos energiaellátású rádióátjátszó torony az Egyesült Államok délkeleti részén (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

6.3

Hálózat nélküli lakossági alkalmazások

6.3.1 Házi napenergiás rendszerek Az Európai Unió becslései szerint világszerte 2 milliárd ember lakhelyén nincs hálózati villamos energia ellátás, és a fele olyan területeken él, ahol egyáltalán nincs villamos hálózat./5/. A nagy beruházási költségek miatt alacsony fogyasztás esetén (kevesebb, mint 1 kWh naponta) még középtávon sem várható ezeknek a gyéren lakott területeknek villamos hálózattal való ellátása . A tapasztalatok szerint ilyen esetben a kis teljesítmény házi napenergiás rendszerek adják a legjobb megoldást a háztartás alapigényeinek (világítás, információs eszközök) ellátására. 16


Ennek a megoldásnak külön el nye, hogy távoli házak saját energiaellátással rendelkeznek. Így az energiatermel rendszer egyedileg méretezhet és szükség esetén b víthet /6,7/. A 18. ábrán a házi napenergiás rendszer napelem moduljai láthatók egy indiai és egy mexikói példán.

18. ábra: Házi napenergiás rendszer Zanskarban, (India – baloldali kép) és Boquillas del Carmenben, (Mexikó) (Fotók: Reinhard Brender, Badenweiler, Germany and Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Egy egyszer napház rendszer egy fotovillamos generátort, akkumulátort és töltésszabályozót használ. A fogyasztók, mint pl. kompakt fénycs , rádió vagy egy kisebb tv, közvetlenül kapcsolódik az egyáramú hálózatra. Két tényez kritikus a napház rendszerek m ködésben tartásához: az els a különböz összetev k technikai min sége, a második a felhasználók bevonása a tervezés, felépítés és m ködtetés fázisába. 6.3.2 Fotovillamos energiaellátású szivattyúk Sok közterületen (parkok, temet k és állatkertek) vannak szök kutak, amelyekben a víz rendszerint kering és nem a hálózatról kap folyamatosan friss vizet. A víz keringetését biztosító szivattyú m ködtetéséhez csak néhány szabványos fotovillamos modul szükséges. Mivel a víz keringetésre rossz id esetén illetve éjjel rendszerint nincs szükség, ezek az alkalmazások akkumulátor nélkül m ködtethet k. A fotovillamos modulokat vagy közvetlenül a szivattyúra kapcsolják, vagy átalakítót használnak (19. ábra).

17


19. ábra: Fotovillamos energiával m ködtetett szök kút Freiburgban (Németország) (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

20. ábra: Víztisztító állomás Balde de Sur de Chucuma faluban, Argentina (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 18


Vidéki területeken a fotovillamos rendszert sokszor használják szivattyúzásra, vízkezelésre és víztisztításra. A 20. ábra egy ilyen alkalmazást mutat be Balde de Sur de Chumcuma településében, Argentínában. A két fotovillamos modul a víztisztításhoz és a világításhoz szolgáltat energiát. A szélgenerátor szivattyúzza fel a vizet a tárolóba. 6.3.3 Házak, menedékházak és kis települések fotovillamos energia ellátása Európában számtalan ház és hegyi menedékház van, amelyek túl távol vannak a hálózattól ahhoz, hogy gazdaságosan csatlakoztathatók legyenek. Ezen háztulajdonosok számára az egyetlen lehet ség eddig saját generátor telepítése volt, amely rendszerint dízel generátor telepítését jelentette. Rendszerint a dízelgenerátorok közvetlenül a fogyasztókat látják el villamos energiával, és ez azzal jár, hogy gyakran csak részleges terheléssel m ködnek, ugyanakkor nincs villamos energia, ha a motort kikapcsolják. Emiatt az állandó energiaellátáshoz ezen generátorok folyamatos m ködtetése nem ésszer a részleges terhelés miatti alacsony hatásfok, a zaj és a káros-anyag kibocsátás miatt, nem is beszélve a bels égés motorok véges élettartamáról. Az egész évben üzemel Rotwand House (21. ábra) jó példa a fotovillamos modulokból, szélturbinából és dízel generátorból álló hibrid energiaellátó rendszerrel üzemeltetett épületre. A rendszer megbízhatóan képes ellátni az épületet villamos energiával.

21. ábra: Rotwand House menedékház fotovillamos modulokkal és szélgenerátorral (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

A tet re szerelt fotovillamos modulok környezetkímél módon (zaj és káros-anyag kibocsátás nélkül) alakítják át a napenergiát villamos energiává. Elegend napsugárzás esetén az villamos eszközök m ködtetésén felül termelt többletenergiát akkumulátorokban tárolják, amelyb l az energiát rossz id esetén és éjjel visszanyerik. 19


Megfelel széler sség esetén a szélturbinák is villamos energiát termelnek, és akkumulátort töltenek. Ha az akkumulátorok teljesen feltölt dtek, er s szélben a szélturbinák energia termelését csökkentik. Az egyenáramú energiát egy inverter alakítja át 230V-os váltakozó feszültséggé így esetén egy a hagyományos villamos eszközök használhatók. Rossz id dízelgenerátor biztosítja az energiaellátást. Hogy az energiaellátó rendszer a legoptimálisabban m ködjön, számítógép figyeli és vezérli az egész rendszert.

6.4

Kisméret , hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek

Ha azt feltételezzük, hogy egy négytagú család évente átlagosan 4500 kWh villamos energiát fogyaszt, akkor mintegy 45m2 felület napelem modul tudná fedezni ezt az energiaigényt. Ekkora szabad tet felület bármelyik családi ház tetején rendelkezésre áll. Ráadásul a napelemek helyettesítik a hagyományos épít elemeket, mint pl. tet cserép, homlokzati burkolóanyag, s ezzel új elemeket nyújt az építészeknek. Németországban több mint 50000 ilyen elosztott, hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszert telepítettek tet kön vagy homlokzatokon napjainkig. A 22. ábrán erre láthatunk egy példát.

22. ábra: Tet re szerelt, hálózatra kapcsolt fotovillamos energia ellátó rendszer (Kirchzarten, Németország), (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

Bár a fotovillamos modulok függ leges telepítése csökkentett energiatermeléssel jár, a homlokzatok - különösen a presztízssel rendelkez k – fotovillamos modulokkal való felszerelése érdekes alkalmazás marad. A 23. ábrán a Freiburgi (Németország) vasúti f pályaudvar toronyépülete látható. Az épület déli homlokzatára modulokat szereltek. A „Naptorony” homlokzatának bal oldala 246 modult tartalmaz, 34,4 kWp teljesítménnyel. Az évi energiatermelés kb. 24 MWh. 20


23. ábra: A Freiburgi f pályaudvar épülete (Freiburg, Németország), a “Naptoronnyal” a középpontban (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

6.5

Hálózatra kapcsolt fotovillamos er m vek

Számos fotovillamos er m épült napjainkig (1. táblázat). Ezen er m vek célja ilyen er m vek m ködésének igazolásától a fotovillamos és a hidrogén jelleg technológia közös használatának tanulmányozásáig terjed. A 24. ábrán a Neurath Lake-ben (Németország) épült kísérleti er m fotovillamos moduljainak egy részletét mutatja.

24. ábra: Az RWE fotovillamos er m ve (Neurath Lake, Németország) (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

21


Típus

Helyszín

teljesítmény

Er m , hálózatra kapcsolt

Chur, Svájc

100 kW


Neurath Lake, Németország

360 kW


Stuttgart, Németország

435 kW


Toledo, Spanyolország

1 MW


Herne, Németország

1 MW


Munich Fair, Németország

1 MW


Haarlemmermeer, Hollandia

2.3 MW


Hemau near Regensburg, Németo. 4 MW

PV/szél/biogáz hibrid rendszer

Fehmarn, Németország

PV: 140 kW

PV/szél hibrid rendszer

Pellworm, Németország

PV: 600 kW

1. táblázat: Nagyméret , hálózatra kapcsolt fotovillamos er m vek.

7 Összefoglalás A bemutatott példák igazolják, hogy a hagyományos energiaellátó rendszerek sok esetben helyettesíthet k fotovillamos energia ellátással. Ráadásul azon a helyen, ahol a villamos hálózatra csatlakozás költséges lenne, a fotovillamos rendszer gyakran a leggazdaságosabb alternatíva. A hálózattól való függetlenségen túlmen en a fotovillamos rendszernek sok egyéb el nye is van: könny m ködtethet ség, alacsony karbantartási költség és kisebb környezeti hatás az akkumulátorok fotovillamos berendezéssel helyettesítéséb l adódóan. A hálózat nélküli rendszereknél a fotovillamos elemeknek más típusú generátorokkal való párosítása, nagy ellátási biztonságot képes biztosítási, még olyan helyeken is, ahol a napenergia hozam változékony. Az ebb l adódó költségek ellenére a hálózattól távoli helyszínek energiaellátása így még mindig gazdaságosabb, mint a villamos hálózat kiépítése. Végül említésre érdemes a már meglév területek, felületek fotovillamos energia átalakításra való felhasználhatósága. Például a parkolóházak lapos teteje, sportcsarnokok, stadionok éppúgy alkalmasak fotovillamos modulok telepítésére, mint az utak, vasutak zajvéd falai, vagy a nagyobb középületek homlokzatai. 22


Ezen esetekben a legfontosabb tényez , hogy nem kell újabb területeket elfoglalni, és a meglév szerkezetek használata költségkímélést jelent. A hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek jelenleg talán még gazdaságilag nem versenyképesek, de hatalmas technikai potenciált jelentenek. A fotovillamos energia felhasználása valószín leg a kis és nagyfogyasztók között is növekedni fog. A terjedés gyorsasága végs soron a fotovillamos rendszerek tervez inek, épít inek és m ködtet inek szakértelmét l függ.

8 Irodalom /1/ /2/ /3/

/4/

/5/ /6/

/7/

A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch; Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner Studienbücher, Stuttgart, Germany, 1994 A. Goetzberger, V. Wittwer; Sonnenenergie – Physikalische Grundlagen und thermische Anwendungen, Teubner Studienbücher, Stuttgart, Germany, 1996 J. Benz, B. Ortiz, W. Roth, D. U. Sauer, A. Steinhüser; Fuel Cells in Photovoltaik Hybrid Systems for Stand-Alone Power Supplies, Proceedings 2nd European PV-Hybrid and Mini-Grid Conference, Kassel, Germany, 2003 W. Roth, H. Schmidt, W. Schulz, A. Steinhüser; Photovoltaic Power Supply for Telecommunication Network Components in Remote Areas, Proceeedings TELESCON 2000, Dresden, Germany, 2000 W. Palz; Power for the world – a global photovoltaic action plan, Solar Europe Newsletter, Kommission der Europäischen Gemeinschaften, DG XII, 1993 P. Schweizer, J. N. Shresta; What can solar electricity provide for the Himalayan society? The case of Nepal, 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Nice, France, 1995 Successful User Schemes for Photovoltaic Stand-Alone Systems, European Commision DG XVII, 2000

23

G07 eladás* Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói

Recommend Documents