Miskolci Egyetem. Gépészmérnöki és Informatikai Kar. Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék. Villamosmérnöki szak

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

Villamosmérnöki szak Villamos energetikai szakirány

Egy a „Kisalföld” területén található tanya villamos energia ellátása

Szakdolgozat Tóth Péter AAAJSG 2015

Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Tóth Péter

(neptun kód: AAAJSG )

a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a

Egy a „Kisalföld” területén található tanya villamos energia ellátása

című komplex feladatom/ szakdolgozatom/ diplomamunkám1 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt.

Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése.

Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül.

Miskolc, 2015.12.02.

Hallgató aláírása __________________________________________________________________________ 1

Megfelelő rész aláhúzandó

Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén)

Alulírott Kozák Csaba , mint műszaki vezető igazolom, hogy Tóth Péter , (neptun kód: AAAJSG), Villamosmérnöki szakos hallgató a(z) Sinergy Kft. -nél készített komplex feladatában/ szakdolgozatában/ diplomamunkájában1 a saját munka terjedelmi részaránya minimum 90 %, és a dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek.

Miskolc, 2015.12.02.

hallgató név

külső témavezető név (műszaki vezető)

1

Megfelelő rész aláhúzan

Tartalomjegyzék 1.Bevezetés ................................................................................................................................... 3 2.Villamos energia előállításának lehetőségei .............................................................................. 5 2.1. Nap, mint energiaforrás ..................................................................................................... 5 2.1.1.Napelem ....................................................................................................................... 6 2.2.Szélenergia hasznosítása..................................................................................................... 8 2.2.1.Szélgenerátor................................................................................................................ 9 2.2.2.Állandó mágneses szélgenerátor működése ............................................................... 10 3.Tanya villamos energia biztosításának lehetőségei ................................................................. 12 3.1.Alaphálózatról vételező és visszatápláló rendszer ............................................................ 12 3.2.Szigetüzemű rendszer ........................................................................................................ 13 4.Tanya villamos energia szükséglete ......................................................................................... 14 4.1.Villamos hálózat kiépítésének költségszámítása ............................................................... 15 4.2.Mely évszakhoz kell méreteznünk ...................................................................................... 16 5.Villamos energiatermelés napelemmel és szélgenerátorral.................................................... 18 5.1.Napelem meghatározása, méretezése................................................................................ 18 5.1.1.A szigetüzem megtervezése ......................................................................................... 20 5.1.2.Rendszerhez szükséges napelemek darabszámának meghatározása.......................... 20 5.2.Szélgenerátor meghatározása és méretezése .................................................................... 22 5.2.1.Szigetüzem tervezése .................................................................................................. 24 5.3.Energiatárolás .................................................................................................................. 25 5.3.1. Szolár akkumulátor kapacitásának meghatározása ................................................ 27 5.4. Töltésszabályozó .............................................................................................................. 28 5.5. Inverter méretezése és meghatározása............................................................................. 30 5.6.Villamos energia veszteségei szigetüzemnél ..................................................................... 32 5.7.Villamos rendszer műszaki megfontolásai ........................................................................ 33 6.Villamos energiaellátás megtérülési számítás ......................................................................... 37 7.Összefoglalás ............................................................................................................................ 38 8.Summary .................................................................................................................................. 40 Köszönetnyilvánítás .................................................................................................................... 42 Irodalom jegyzék ......................................................................................................................... 43

2

1.Bevezetés Manapság minden eszköz villamos energiával működik, többek között a háztartásban. Ezeknek a villamos eszközök energiaigényének fedezésére használjuk a legtöbb erőműben a fosszilis energiahordozókat. Mivel a Föld energia készlete véges, ezért előtérbe kerültek a megújuló energiaforrások és azok használatával az energiatudatos gazdálkodás, hogy az emberi tevékenységek által kimerülő energiaforrások ténylegesen ne merüljenek ki. Mindemellett a fosszilis energiahordozók elégetésével a környezetünket is nagymértékben károsítjuk. A több millió tonna szén-dioxid légkörbe kerülésével okozott felmelegedést következtében természeti katasztrófák veszélyei fenyegetnek és más káros anyag kibocsájtás, pedig az ózonréteg pusztulásához vezethet. Mindenféleképpen ki kell aknáznunk a megújuló energiaforrásokban fennálló potenciált, hogy ne csak a környezetünket óvjuk, hanem a Föld energiakészletét is. A XXI. században azt a tényt, hogy csak a megújuló energiaforrások segítségével tudják környezetkímélővé energiatermelést megoldani már szinte minden ország felismerte. Napjainkban utazásaink során, sok helyen előfordulnak nagy napelemtábla mezők, illetve hatalmas szélgenerátorok, melyek vagy egy kisebb várost vagy valamilyen épületeknek szolgáltat energiát. Sok esetben családi házak tetején is láthatunk napelemes rendszereket. Ezeknek a háztartás méretű kiserőművek népszerűsége töretlen, mivel környezetre nincsenek hatással, illetve a berendezések élettartama és az a tény, hogy minimális karbantartási munkálatokat igényelnek, gazdaságossá teszi a fogyasztók részére a villamos rendszerből vásárolt energiával szemben. Ezeknek a rendszereknek a tervezése és kiépítési nagyon időszerű feladat. A szakdolgozatom egy a Kisalföld területén található tanya villamos energia igényét vizsgálja megújuló energiaforrásokkal. Mivel számtalan olyan terület létezik Magyarországon, ahol nincs kiépítve az alaphálózat, és ezeken a területeken tanyák, pincék, nyaralók kialakíthatók vagy már vannak is, ezért célszerű megvizsgálni milyen módon tudnánk a villamos energia igényüket megvalósítani. A legkézenfekvőbb megoldás hálózatra csatlakozás, de kiválthatjuk megújuló energiaforrásokkal, mint a nap és a szélenergia. A szakdolgozatomban megvizsgálom, hogy a tanya megbízható villamos energia ellátását hogyan célszerű kialakítani, megoldható és gazdaságos-e.

3

A tanya esetében rendkívül fontos szempont az önállóság, mivel messze az alaphálózattól található. Ily módon a villamos energia előállítása célszerű helyben megoldani a megújuló energiaforrások kiaknázásával. A szakdolgozatban megvizsgálom a villamos energia előállításának lehetőségeit, kiemelt figyelmet kap a nap és szélenergia források. Majd a tanya energia biztosításának lehetőségeit veszem számba és a villamos hálózat kiépítésének költségeit. Kiszámolom a tanya energia szükségletét a napjainkban fellelhető háztartási gépek és a tanyán található öntözőrendszerhez szükséges energiaigényt beleszámolva. Megnézem, mely időszakhoz kell méreteznünk a rendszerünket. Meghatározom, hogyan megoldható a legbiztosabban a megújuló energiaforrásokkal a energiaigény fedezése. Méretezem az egységeket és hozzátartozó eszközeit. Meghatározom a hozzájuk tartozó költségeket és megtérülési időt. Részletezem a műszaki megfontolásokat.

4

2.Villamos energia előállításának lehetőségei Napjaink villamos energia termelését túlnyomó részben alap, szabályozós és a csúcserőművek szolgáltatják. A primer energiahordozók fajtája szerint az erőműveket három nagy csoportba soroljuk: hőerőmű, vízerőmű, atomerőművek. Hőerőműveknél a primer energiahordozók lehetnek a szén, kőolaj, földgáz. Ezek elégetésével nyerünk először mechanikai energiát majd villamos energiát. Atomerőművekben a maghasadás vagy a magfúzió során keletkezett hőt használják villamos energia alakítására. Ezeknek a káros illetve veszélyes erőművek tulajdonságai a természetre, ezáltal az emberiségre nézve is, melyeket ki lehetne segíteni megújuló energiaforrásokkal. A megújuló energiaforrásoknak nevezzük azokat a természetes primer energiahordozókat, amelyek mindennapjainkban jelen vannak és folyamatosan újratermelődnek. Ezek közé sorolhatjuk a vízerőművet is, ahol a felszíni vizek helyzeti és mozgási energiáját alakítják át villamos energiává. Többek közt ilyen a nap, szél, geotermikus energia és napjainkban kezd teret nyerni a biomassza hasznosítása. Szakdolgozatomban a nap és a szél energiájáról és azoknak a hasznosításáról fogok írni. 2.1. Nap, mint energiaforrás[1] A Nap energiájának hasznosítása a legmegbízhatóbb és a legfontosabb, mivel folyamatosan jelen van. A Nap energiája hő és fény forrásában jut el a Földre, de a hősugárzás nem jut el maradéktalanul a Föld felszínére. A Föld légkörének a határára mintegy 1,36kW/m2 sugárzási energia érkezik, amiből visszaverődik 100W/m2 majd a légkörben is elnyelődik megközelítőleg mintegy 250W/m2 sugárzás. Tehát a Föld felszínét elérő maximális sugárzás körülbelül 1kW/m2, amely akkor áll fent, ha az eltérítés nélküli közvetlen sugárzás. Beszélhetünk még szórt sugárzásról, amely valamilyen akadályon keresztül jut el a felszínre és javítja az általános megvilágítást. 1.ábra. Földfelszínre jutó napsugárzás alakulása.[1]

5

A földfelszínt érő napsugárzás erőssége nem mindenütt egyforma. Ez egyrészt a földrajzi szélességtől függ, mivel a különböző földrajzi szélességeken a napsugárzás beesési szöge eltérő. A napsugárzás erőssége függ az évszaktól és attól is, hogy az adott terület felett az égbolt derült-e vagy borult. Ahogy következő ábra mutatja a sugárzást szokás megadni MJ/m2-ben. Ezt egy egyszerű számítással meg lehet adni kWh/m2-ben pl: 1kWh/m2/nap=3,6MJ/m2/nap

2.ábra. Magyarország globálsugárzása[3] Az ábráról láthatjuk a Kisalföld területén körülbelül 4500MJ/m2 értéket ad, ami 1,25kWh/m2-nek felel meg. Közvetlenül a Nap sugárzását kétféle módon tudjuk hasznosítani ez a passzív és aktív hasznosítás. A következő pontban az aktív hasznosításról fogok írni azon belül is a napelemmel történő villamos energia termeléséről. 2.1.1.Napelem[3] A napelem egy olyan eszköz, amely a nap sugárzását elektromos árammá alakítja át a fényelektromos jelenség segítségével. A napelemek alapanyaga félvezető, tehát az energiaátalakítás a félvezető alapanyagban játszódik le. Ismerjük meg milyen félvezetőkből tevődnek össze a szolár cellák. A szolár cellák két fajta anyagot tartalmaznak, ezeket gyakran p-típusú és n-típusú félvezetőknek nevezzük. Bizonyos hullámhosszú fény képes a félvezető atomjainak ionizációjára, ezáltal a beeső fotonok többlet töltéshordozókat keltenek. A pozitív töltéshordozók (lyukak) a p-rétegben, míg a negatív töltéshordozók (elektronok) az n-rétegben lesznek többségben. A két ellentétes töltésű réteg töltés6

hordozói habár vonzzák egymást csak egy külső áramkörön keresztül áramolva képesek rekombinálódni, a köztük lévő potenciál lépcső miatt.

3.ábra. Napelem működése.[2] A napelem teljesítményének befolyásoló tényezői: 

a cella típusa és mérete



a fény intenzitása



a fény hullámhossza

Napelem fajtái és jellemzői: Háromféle napelemet különböztetünk meg egymástól: amorf szilícium, monokristályos és polikristályos. 

Amorf szilícium napelem a legelterjedtebbek mert az előállítási költsége olcsó. Hatásfoka nagyjából 4-6% között van, ami a többihez képest kicsi, de a szórt fényt jobban hasznosítja. Hatásfoka miatt nagyobb felületen kell kiépíteni, mint a többi társát, ha fedezni szeretnénk az energiaigényünket. Élettartama 10 év.

4.ábra Amorf napelem[3]

7



Monokristályos napelem a ma létező legjobb hatásfokát elérő napelem, amely 16-18% között van. Hátránya, hogy a szórt fényt kevésbé tudja hasznosítani, mint a közvetlen napfényt. Élettartama körülbelül 30 év.

5.ábra Monokristályos napelem[3] 

Polikristályos napelem hatásfoka majdnem eléri a monokristályosét, ennek 1516% körül van. Élettartama 25 évre tehető.

6.ábra Polikrsitályos napelem[3] A napelem kiválasztásánál több tényező játszik szerepet: ár/érték arány, szórt és direkt sugárzás eloszlása. 2.2.Szélenergia hasznosítása[1] A szélenergiát is a megújuló energiaforrások közé soroljuk. A légkör termikus egyensúlyának megbomlásából keletkezik a szél, azaz szélmozgás. Mivel a Nap sugárzása a Föld felszíneit különböző mértékben melegítik fel, ezért ezek a légtömegek hőmérséklet különbségük hatására a légsűrűségben és légnyomásban is eltérőek lesznek. Ezeknek a különbségeknek a hatására szélmozgás alakul ki a légkörben, amíg a különbségek ki nem egyenlítődnek. Minél nagyobb az eltérés egyes felszínek feletti légtömegek kőmérsékletében, - ezáltal légsűrűség és légnyomásban is-, annál hevesebb szélmozgás alakul 8

ki. Vannak olyan területek, ahol szinte folyamatosan jelen van szélmozgás. Ezeken a helyeken soha nem egyenlítődnek ki a különbségek a nagyon magas hőmérsékletbeli eltérések miatt, ami a talajok hőelnyeléséből adódik. Ezeken a helyeken a legjobb szélgenerátorok telepítése a szélenergiájának a hasznosítására. Ilyen terület például a tenger vagy tengerpartra való telepítés, mivel a víz és a part hőelnyelő képessége nagymértékben eltér, ezáltal kialakuló hőmérsékletbeli különbségek miatt nagymértékű a szélmozgás. A Kisalföld területén aránylag jó a szélmozgás, mivel az Alpok aljában fekszik, így a két terület közti magasság, illetve hőmérsékletingadozás miatt kialakuló szélmozgást jól tudjuk hasznosítani. A szél energiája a sebességhez képest, annak harmadik hatványával arányos. Ezért is figyelnek oda a szélérzékenységre a szélerőgépeknél. Hasznosításánál arra is kell ügyelni, hogy a szél iránya is változik, ezt is figyelembe kell venni. 2.2.1.Szélgenerátor[1] A szélgenerátorok segítségével a szél kinetikus energiáját tudjuk átalakítani mozgási vagy villamos energiává. A szélerőmű lényegében egy motor, mely egy áramfejlesztő generátort hajt vagy esetleg szivattyút. A szélgenerátorok teljesítménye alapján jól meg tudjuk őket különböztetni, vannak kis-, közepes-, nagy teljesítményűek, amelyeket már szélerőművek közé soroljuk. A szélerőművek teljesítménye általában 50-500kW között változik. Ezekben a szélerőművek motorja lehet aszinkron vagy szinkron kialakítású, ellenben a kis és közepes teljesítményű szélgenerátorok vagy szélturbináknak, amelyben leginkább az állandó mágneses generátorok alkalmazása jellemző. A tanya energiaellátására kisteljesítményű szélgenerátorokat alkalmazunk. Kisteljesítményű szélgenerátorok teljesítménye 60W… 20kW közötti változatok kaphatók. Mint már említettem állandó mágneses generátorok alkalmazása a jellemző rájuk, mivel tulajdonságai előnyösek a hajtómű és áttétel nélküli egyszerű szerkezete miatt. Az állandó mágneses szélgenerátorok jó időtállósága miatt megfelelő megoldást ad az áramtermelésre. Általában kimeneti kapcsain lévő feszültségük: 12, 24, 36, 48 és 230V lehet típustól függően. Többségüknél az előállított nem szinuszos jelet a bele épített elektronika egyen irányítja, amely egyben egy túltöltés védelmi szerepet is szolgáltat, így az ilyen szélgenerátorokról közvetlenül csatlakoztathatjuk a töltendő akkumulátorokat. A szélgenerátorok típustól függően az indítási szélsebessége nagyjából 1,8… 3,5 m/s környékére tehető. A kisteljesítményű szélgenerátorok hasznos és gazdaságos működésére évi átlagos 3,5… 4 m/s szélsebesség szükséges. A Kisalföld és nagyjából minden 9

hazai helyszín megfelel ennek. A névleges és a csúcs kimeneti teljesítményük körülbelül 10… 12 és 18… 20 m/s szélsebességnél érik el, ekkor már le kell fékezniük valamennyire és 50.. 65 m/s szélviharban már károsodások elkerülése végett leállnak vagy kifordulnak a szélből.

7. ábra Egy szélgenerátor „robbantott” rajza.[1] 1-orrkúp, forgórész fej; 2-szárnyrotor; 3-szárnylapátagy; 4-csapágyak; 5-bepattintós rögzítő gyűrű; 6-O gyűrű; 7-állórész tekercs; 8-permanens mágneses forgórész; 9szabályozóelektronika; 10-generátorgépház; 11-hűtőfelület; 12-oszlop csapágy; 13árboc forgórész fej; 14-kimeneti vezetékek; 15-keferugó; 16-kefe/rugó; 17-nyakrész csavar; 18-nyakrészbilincs; 19-kefék; 20-keferugók; 21-potenciométer Átlagos élettartamuk meghaladja a 30 évet, és a felújításuk is gazdaságos ezt követően. Hátrányuk az egyszeri nagy befektetésben van, viszont könnyen telepíthetők és költöztethetők. Hatásfokuk kedvező. Karbantartást nem igényelnek. 2.2.2.Állandó mágneses szélgenerátor működése Az állandó mágneses generátornál a gerjesztést a mágnes adja. Hasonló a szinkron géphez, de itt nem külső forrásról gerjesztjük a tekercseket. Az ábrán látható mágnest megforgatjuk a állórész tekercselésében feszültség indukálódik.

10

8.ábra Generátor elvi felépítése.[4] Ez a feszültség szinuszosan fog változni a kapcsokon. Az indukált feszültséget megkaphatjuk a következő egyenletből: Ui = N*dФ/dt Az Ui az indukált feszültség, az N a tekercsek menetszáma, Ф fluxus és t az idő. Háromfázisú váltakozó áramú generátort úgy kapunk, ha három tekercset egymástól 1200os szögben helyezünk el és a forgórészre több mágnest rakunk. Ekkor a az állórész tekercsein háromfázisú szinuszosan váltakozó feszültséget kapunk. Az indukált feszültség pontos meghatározására néhány paraméterét a generátornak ismernünk kell, amelyek ebben a képletben szerepelnek: =

∙

∙

Ahol Ui az indukált feszültség, C a gépre jellemző gép állandó, mely függ a tekercselési tényezőtől, a pólusok számától, és a forgórész kiképzésétől, Φ a fluxus, és n a gép pillanatnyi fordulatszáma.

11

3.Tanya villamos energia biztosításának lehetőségei Háromféle módszert különböztetünk meg: az első a alaphálózatra csatlakoztatott rendszer, mely minden egyes házban, épületben kialakított ott, ahol az alaphálózat ki van építve, városokban; második a hálózatról vételező és visszatápláló rendszer és a harmadik a szigetüzemű rendszer. Az utóbbi kettővel egy kicsit bővebben is foglalkozom. 3.1.Alaphálózatról vételező és visszatápláló rendszer Alaphálózatról vételező és visszatápláló rendszert akkor érdemes kialakítani, ha az épület közvetlen környezetében (pl: városban) található alaphálózatként kiépített csatlakozási pont van, vagy a hálózat bevezetése adott helyig nem lenne túl nagy költség egy szigetüzemű rendszerrel összehasonlítva. A rendszer lényege, hogy a valamely megújuló energiaforrásból termelt energiát, mint a saját felhasználásunkra egy inverteren keresztül fel tudjuk használni, illetve többlettermelés esetén az inverteren és egy kétirányú mérőórán keresztül a hálózatba tudjuk juttatni. Általában gazdaságosság szempontjából is jobb a hálózatra csatlakoztatott rendszer kialakítása. Fő előnye, hogy nem kell attól aggódni, hogy a házban vagy az épületben nem lesz elérhető a villamos energia. Az ábra egy ilyen rendszert mutat be.

9.ábra Hálózatról vételező és visszatápláló rendszer.[5]

12

3.2.Szigetüzemű rendszer Szigetüzemű rendszert akkor szokás kialakítani, amikor nincs kiépített villamos hálózat, vagyis a városi infrastruktúrától elszigetelt helyen szeretnénk villamos energiát termelni valamilyen célból. A villamos hálózat kiépítése pedig drágább lenne, mint egy ilyen rendszer kiépítése. Az előző rendszerhez hasonlóan itt is szükségünk van megújuló energiaforrásból előállító berendezésre (napelem, szélgenerátor), illetve inverterre a váltakozó feszültségű berendezések miatt. A különbség az, hogy itt a villamos energiát akkumulátorokban tároljuk, amelyeket töltésszabályozóval védünk azok károsodása és élettartamának megóvása érdekében. Fő előnye, hogy teljesen önellátóak leszünk és a beruházás költségei után ingyen energiát termel. Hátránya a bizonytalan energiaellátás időjárási függvények befolyásoltsága miatt. A következő ábra egy ilyen rendszert szemléltet.

10.ábra Szigetüzemű rendszer[5] A tanya villamos hálózatát egy hasonló rendszerrel szeretnénk ellátni.

13

4.Tanya villamos energia szükséglete Minden háztartásban jelen lévő eszközök figyelembe vételével éri meg kiszámolni a tanya energia szükségletét. Mivel egy tanyáról van szó, nyilván vannak más feltételek a háztartásban lévő eszközökön kívül, ilyen például egy öntözéses rendszer, ami egyben itatós rendszer is a haszonállatok itatására és a termőföldek locsolására. Egy átlagos háztartásban lévő eszközök energiaigényének néztem utána és vettem egy átlagos teljesítmény értéket. Ezek az eszközök: Villanytűzhely: 5kWh/nap (2kW) Mikrohullámú sütő: 1,5kWh/nap Hűtőszekrény: 0,5kWh/nap Fagyasztószekrény: 0,8kWh/nap Rádió, Tv, számítógép: 1kWh/nap Hajszárító: 0,25kWh/nap Vasaló: 0,25kWh/nap Mosógép: 1kWh/nap Vízszivattyú: 1,36kWh Ahhoz, hogy a vízszivattyú napi teljesítményét meg tudjuk határozni, tudnunk kell, kb. mennyi vizet kell felszivattyúzni a kútból. Ez egy átlagos 4 fős családdal számolva nagyjából 80l/fő/nap, azaz 320l víz és ehhez hozzáadódik az állatok itatása, ami egy kisebb létszámú haszonállatokból áll kb. 1000l és még öntözésre is elmegy 1000l nagyságrendileg, így összesen 2,32m3/nap. Egy 53l/perc víz szivattyúzására képes gép, vagyis a 2320/53=43,77perc ezt kerekítsük fel 1 órára a biztonság kedvéért, azaz 1,36kWh/nap fogyasztással számolhatunk. A fényforrásokat úgy számolom, hogy mind energiatakarékos, amelyek lehetnek LEDes vagy kompakt fénycsöves kialakítás, ezért minimális az energiaigényük. A nappaliban, fürdőszobában és konyhában 23W-os fénycsövek vannak, ill. a szobákban 3*15Wos fénycsövek. Évszaktól függően ezeknek az energiaigénye 100-400W között mozoghat, ezért én köztes értékkel számolok, azaz 250Wh/nap. Kiszámolom

a

egy

átlagos

napi

fogyasztást

a

fentiek

alapján:

5kWh+1,5kWh+0,5kWh+0,8kWh+1kWh+0,25kWh+0,25kWh+1kWh+1,36kWh+0,25k Wh=11,91kWh/nap Kerekítve veszem a többi más fogyasztó érdekében: 12kWh/nap.

14

Ezt felszorozva megkapjuk a havi energiaigényünket: 12kWh*30=360kWh/hónap. Ebből számolva évi energiaszükségletet: 360kWh*12=4320kWh/év. Meghatározom mekkora lesz a napi amper felvétel és ehhez viszonyítjuk a fogyasztásmérőnk fő biztosítékait. Amper felvételeik a következők, amit a I=P/U összefüggésből számolunk: Villanytűzhely: 8,69A Mikrohullámú sütő: 6,52A Hűtőszekrény: 2,17A Fagyasztószekrény: 3,47A Rádió, Tv, számítógép: 4,34A Hajszárító: 1,08A Vasaló: 1,08A Mosógép: 4,34A Vízszivattyú: 5,91A Fényforrások: 1A Összesen: 38,6A, egy fázisra jutó érték I1f=12,86A Ezt az árammennyiséget 3 fázis fele osztva, tekintetbe véve, hogy lehetnek más fogyasztók, illetve fényforrások áramfelvételét 3*16 amperes szabványos értékű biztosítót választottam. Így ha szeretnénk bővíteni a tanya villamos fogyasztókat, akkor ezt megtehetjük, mivel hagytunk tartalékot a rendszerben. 4.1.Villamos hálózat kiépítésének költségszámítása[13] A tanya elhelyezkedését tekintve, úgy feltételezzük, hogy nagyjából 3500m-re van a legközelebbi villamos középfeszültségű szabadvezetékhez. Valamennyi áramszolgáltató fedez valamekkora tartományban mind szabadvezeték kiépítését mind teljesítmény csatlakozást, de a többi önerőből kell fedeznünk. A 117/2007. (XII.29.) GKM rendeletben foglaltak alapján, 300m szabadvezeték kiépítését biztosítja az áramszolgáltató, illetve 32A csatlakozási teljesítményt fedez. Az előbbi a 7. § és az utóbbi az 5. § olvasható. Ezek alapján 3200m szabadvezeték kábelt és 16A kell önerőből finanszíroznunk. A 3200m kábelt méterenkénti ára 3600Ft/m, szóval 3200*3600= 11520000Ft+Áfa, ehhez jön még a 16A, melynek 3600Ft/A, így 16*3600= 57600Ft+Áfa. Tehát a villamos hálózat kiépítésének költsége: 11577600Ft*1,27=14.703.552 Ft. Számítások szerint nagy költség lenne egy ilyen hálózat kiépítése és az ezek után az elfogyasztott mennyiség is pénzbe kerül, ellentétben a megújuló energiaforrással termelt 15

energia ingyen van, de a kiépítési költség magasabb lehet, de hosszútávon kifizetődőbb. Erre a szakdolgozat végén rávilágítást kapunk. 4.2.Mely évszakhoz kell méreteznünk Legfőbb oka az energiatermelés kiesésének az időjárás, illetve a nyári és a téli időszak. Napenergia kiszámíthatósága miatt általában napelemes rendszerek kiépítése a célszerű. Ezeket a rendszereket nagyrészt a téli időszakhoz szokás méretezni, mivel ilyenkor kevesebb a napsütéses órák száma, így biztosabb az, hogy a téli időszakban a fogyasztók energiaigényét fedezni tudjuk. Szélgenerátoros rendszereket teljes energiaigény fedezésére, azért nem célszerű kiépíteni, mert nem kiszámítható és inkább a nyári időszakban sűrűn előfordulhatnak szélmentes időszakok, melyek miatt az akkumulátorok kimerüléséhez vezethet, így az ház áram nélkül maradhat. Magyarországon a napsütéses órák száma és erőssége átlagos, de az évszaktól, az időjárási viszonyoktól és a földrajzi helyzettől függ. A szeles órák száma nagyon változó és kiszámíthatatlan. Tapasztalat szerint, míg a nap süt, szélmozgás nincs, és ha nem süt, nagyrészt van szél, ezért lehet nagyon jó kiegészítésképp a szélgenerátorok beépítése is egy hibrid rendszert alkotva, hogy a téli időszakban a szélgenerátorok biztosítsák az energiánkat.

A 11. ábra a napsütéses órák számát mutatja be Magyarországon 2006-ban. [1] Egy hibrid rendszert alkotva szeretném a tanya villamos energia igényét fedezni. Figyelni kell arra is, hogy előfordulhatnak téli időszakban nap, illetve szélmentes időszakok, amelyeket akkumulátorokkal tudjuk pótolni. Ily módon az akkumulátorok mennyiségét úgy fogom megválasztani, hogy legbiztosabban el tudjon látni mindent az esetleges hosszabb energia kiesés miatt. Viszont gazdasági szempontból nem érdemes 16

túlméretezni, mert akkor sosem térül meg a telepítés. Ezt a legzordabb időszakot én 4 napnak veszem.

12.ábra Kisalföld területén uralkodó szélirányok és évi átlagos szélsebességek.[6]

17

5.Villamos energiatermelés napelemmel és szélgenerátorral Egy napelemes és szélgenerátoros, vagyis egy hibrid rendszerről van szó, tervezés előtt érdemes átgondolni, hogyan osszuk el a termelést a két energiaforrás között? Én azt a gondolatmenetemet követném, hogy a szélgenerátor, mint kiegészítő energiaforrásként tudjuk alkalmazni a kiszámíthatatlansága miatt, így a napelemes rendszer megbízható energiatermelésre kell nagyobb hangsúlyt fektetni. Először is egy nyári időszakra számolom ki a napelemek mennyiségét, majd a megkapott mennyiséggel kiszámolom, mekkora teljesítményt tudok előállítani egy téli időszakban és az ott kialakult energiakülönbségre fogom méretezni a szélgenerátorokat. Mivel a ősztől tavaszig nagyobb a szélmozgás így megfelelően kiegészíti majd a két rendszer egymást. Legrosszabb esetben mikor nem folyamatos az energiatermelés, akkumulátorok tudjuk pótolni azt. 5.1.Napelem meghatározása, méretezése Napelemek közül válogatva én egy CandianSolar CS6P-255P típust választottam. Általában szigetüzemű napelemes rendszerekhez amorf szilícium napelemeket szoktak használni, mert ennek a szórt fénysugarakat jobban hasznosítja. Mivel hatásfoka sokkal alacsonyabb, mint a többi típusnak és árban is jobban megéri venni pl. polikristályos napelemeket, ezért én is így döntöttem. Ára átlagosnak mondható bruttó 68.454 Ft. A gyártó 10 év garanciát vállal rá, illetve a teljesítményromlási időre 25évre 80%.

Garantált energia

Lineáris teljesítmény garancia

13.ábra A napeleme teljesítmény

romlá-

sa.[7] Év

Hatásfoka 15,85%, ezzel fogunk számolni a továbbiakban, de ismernünk kell a téli hónapokban mekkora a hatásfoka, mivel a napelemek hidegebb időben, napsütésben jobb hatásfokkal tudnak működni. Adatlapban szereplő hőmérséklet- idő grafikonról meg tudjuk határozni a hatásfok különbséget. 18

14.ábra Teljesítmény-hőmérséklet grafikon.[7] Ahhoz, hogy kitudjuk számítani a hatásfok növekedést feltételeznünk kell egy áram nagyságot, ez legyen most 5A. A grafikonról leolvassuk 5A-nél a 250C-os vonalról a hozzá tartozó feszültséget, ami kb. 35V, illetve ugyan ezt 50C-hoz tartozó a sötét szürke vonalról, ami kb. 37V. Tehát Unyár=35V és Utél=37V. Ebből teljesítményt számolunk: Pnyár= Unyár*I=35*5=175W Ptél= Utél*I=37*5=185W Ezután kiszámított teljesítménynövekedés százalékban megadva: ((Ptél-Pnyár)/Pnyár)*100%= ((185-175)/175)*100%= 5,71% Így a téli teljesítménynövekedést megkapjuk, ha a 15,85%*1,0571=16,75% lett. Ezzel az értékkel számolunk a téli hónapok teljesítmény számításánál. A további számításokhoz szükségünk van tudni és feltételezni, hogy a napelemeket 450os dőlésszögben helyezték el, ami Magyarországon a legkedvezőbb, ahhoz hogy a legjobb hatásfokkal tudjanak dolgozni. Illetve tudnunk kell mely hónapokban mekkora hasznosítható energiával számolhatunk.

19

Wh/m2/nap

15.ábra Napi átlagos hasznosítható energia havi lebontásban.[1] Jól leolvasható a nyári és téli hónapok közti nagyságrendbeli különbségek. Az adatok átlagokat jelölnek. 5.1.1.A szigetüzem megtervezése Már említettem a nyári időszakhoz fogom méretezni a napelemes rendszert, ehhez a legnagyobb nyári hasznosítható hónapot veszem, melyet az előző diagramról leolvasható. A júniusi napi átlag a legmagasabb, ami 5668 Wh/m2/nap. A napelemünk 15,85% hatásfokkal számolva kijön, hogy: 5,668kWh*0,1585 = 0,898 kWh/m2, energia nyerhető ki négyzetméterenként a legjobb esetben. Napi fogyasztásunkat már korábban kiszámoltuk, amire szükségünk van a méretezéshez. Nem más volt, mint 12kWh/nap. Szükségünk lesz a decemberi hónap napi hasznosítható energiájára, azért mert abból tudunk számolni napelemekből kinyerhető hasznos energiát, ami 1203Wh/m2. 5.1.2.Rendszerhez szükséges napelemek darabszámának meghatározása Egyszerűen ki tudjuk számítani a szükséges napelem mennyiséget, ha elosztjuk a 12kWh-át 0,898kWh-val: 12kWh/0,898kWh= 13,36m2, de számolásunk 1m2-re vonatkozó, még figyelembe kell venni a kiválasztott napelem méretét, amely 1638*982, azaz 1,608 m2. A kiszámított 13,63 m2-t meg kell szoroznunk 1,608 m2/ 1m2 hányadossal, így megkapjuk a felületünket. 20

Anapelem= 13,63m2*(1,608m2/1m2)= 21,91m2 a napelemek felülete. Darabszám meghatározása: Ndb = Anapelem /A modul= 21,91m2/1,608m2= 13,69db kerekítve 14 db. Darabonkénti ára: 68.454 Ft. Napelem tábla beruházási költsége: 14db*68.454Ft= 958.356 Ft

16.ábra Tetőre szerelt napelemtábla.[8] A rendszert úgy építjük ki, hogy a 3 fázisú fogyasztókat is tudjunk üzemeltetni vele, amihez az inverternek 48V-os bemeneti feszültségre van szüksége, amit két napelem sorba kötésével érünk el. A tartószerkezet nagyjából 2*14méter kell, ehhez a tartószerkezet 2m-kénti ára 7601Ft plusz még a csavarok rögzítéshez, ez nagyjából 117614 Ft költségbe kerül. Szükséges tudni, hogy ezzel a napelem rendszerrel mekkora energiát tudunk előállítani a téli hónapokban. Decemberben a legkisebb a napi hasznosítható energia besugárzása, így ezzel az értékkel fogok számolni az pedig nem más, mint 1203Wh/m2/nap. Egy darab napelemből kiszámolom, mennyi energiát tudok kinyerni, ehhez szükségünk van a hatásfokára, amit már korábban kiszámítottunk, mely értéke a téli hónapban a hőmérséklet csökkenés miatt nőt. 16,75% a hatásfoka és 1203W/m2/nap a besugárzott energia, ebből egy szorzással megkapjuk a hasznos energiát: 1203Wh*0,1675= 201,5Wh/m2/nap. Ezt az értéket megszorozzuk a napelemek darabszámával 201.5Wh*14= 2,821kWh termelne decemberi hónapban egy nap átlagosan. Az eredeti napi fogyasztásból kivonjuk még az öntözéshez szükséges energiát, -mivel télen nem kell öntözni a termőföldet- és a most megkapott értéket. Öntözésre nyáron 1000l vizet használtunk el ezt levonva az összes felhasznált vízből marad 1320l, amit 21

télen használunk, ehhez szükséges energia így jön ki: 1320l/53l = 24,9perc vagy kb. félóra üzemeltetés szükséges a szivattyúnak naponta, ami 1,36kWh/nap fele 0,68kWh/nap. Vagyis 12kWh-2,821kWh-0,68kWh = 8,5kWh-ra kell méreteznünk a szélgenerátorokat. 5.2.Szélgenerátor meghatározása és méretezése[1] Szélgenerátor meghatározása előtt érdemes szélmérést végezni, az adott területen és magasságon, ahová azt telepíteni szeretnénk, azért hogy a legjobban és legpontosabban tudjuk méretezni a rendszerünket. Ez több hónapig is elhúzódhat, általában 3-12 hónap szélmérést végeznek. Akkor jó a helyválasztás, ha nagy az átlagos szélsebesség, mivel a teljesítmény a szélsebesség köbével arányos. Tehát egy 5m/s-os sebességű szél, majdnem kétszer több energiát termel, mint a 4m/s-os sebességű szél. Kerülni kell azokat a helyeket, ahol nagy valószínűséggel előfordulhatnak turbulens légáramlatok, turbulenciák, mert ezek károsíthatják a szélgenerátorunkat. Az épületektől és növényektől védve általában nyílt terület a legmegfelelőbb rá. Az is fontos szempont a telepítésnél, hogy minél magasabb tornyot kell építeni, mivel a szél sebessége nagyobb magasságban nagyobb. Tehát a szélgenerátorokat teljesítményét a szélsebesség függvényében szokták megadni.

Kimeneti teljesítmény [W]

Példa egy 1kW-os szélgenerátor teljesítménye a szélsebesség függvényében:

Pillanatnyi szélsebesség [m/s] 17.ábra Kimeneti teljesítmény szélsebesség függvényében.[1]

22

A szélkerék teljesítményét meghatározó egyenlet: P=0,5*ρ*A*v3*η P a szélkerék teljesítménye, ρ a levegő sűrűsége (ρ = 1,29kg/m3), A= r2*π a lapátok által súrolt terület mérete, ahol az r a lapát hossza, v a szél sebessége, η a szélkerék hatásfoka, elméleti hatásfok 59,3%-ra adódik, de ez a valóságban alacsonyabb érték közé esik, nagyjából 20-35%. A területen mért szélsebesség átlagából tudjuk a szélgenerátorunkat a viszonyokhoz méretezni pl: ha a mért szélsebesség átlag 7m/s és erre a szélsebességre szeretnénk, hogy a szélgenerátorunk a névleges teljesítményt szolgáltassa, akkor a lapátok méretét növeljük. Figyelni kell a stabilitásra is, mert ha megnöveljük a lapátméretet, akkor nagyobb szélsebességnél, a nagyobb terület súrolása miatt, könnyebben károsodhat a szélgenerátorunk. A cél egy olyan szélgenerátor, amely mind biztonságosan és gazdaságosan megfelelően működjön. Az interneten kapható szélgenerátorok közül én a Wind Turbine-FD3.0 Series-1kW teljesítményű szélgenerátort választottam. A szélgenerátor jellemzői: 

Kimeneti feszültség: 48V



Rotor átmérő: 2,9m



Indítási szélsebesség: 2m/s



Belépési szélsebesség: 3m/s



Névleges szélsebesség: 8m/s



Túlélési szélsebesség: 35m/s



Névleges fordulatszám: 350 ford./perc

18.ábra Szélgenerátor teljesítmény-szélsebesség karakterisztika.[9]

23

Automatikus szélbeállás, amely a szélirányba fordító farok segítségével oldják meg. Kis karbantartási igénye van. Nagyjából 500ezer Ft környékén mozog az ára.

19.ábra Szélgenerátor[9]

5.2.1.Szigetüzem tervezése Ahogy az 5.1.2. végén írtam a szélgenerátort a téli időszakra méretezem, ezért az előzőleg kiszámított napi energiamennyiség figyelembe vételével és a 11. ábráról leolvasott évi átlagos szélsebesség figyelembe vételével számítom ki a szélgenerátor mennyiségét. A téli napi energiaigényünk 8,5kWh és a évi átlagos szélsebesség az ábráról nagyjából 3,5 - 4 m/s között van, a számításban 4 m/s átlagos szélsebességgel fogok számolni. Néhány szélgenerátor napi energiahozamát egy táblázatban foglaltam össze a pillanatnyi szélsebesség függvényében:

24

Szélsebesség

Napi átlag energiahozam kWh/nap

m/s

400W

1000W

3000W

4

0,5

3,4

9,1

4,5

0,7

4,5

12,2

4,9

1

5,7

15,5

5,4

1,3

6,9

18,9

5,8

1,5

8

22,3

6,3

1,8

9,1

25,7

6,7

2,1

10,2

28,9

7,2

2,5

11,2

31,9

7,6

2,8

12

34,7

8,1

3,2

12,8

37,2

8,5

3,6

13,5

39,4

20.Táblázat: Egy 400W, 1000W és 3000W-os szélgenerátorok energiahozama szélsebesség függvényében.[1] A táblázatból látszik, hogy 4m/s-os szélsebességnél az 1000W-os szélgenerátor napi 3,4kWh energiát termel. Meg kell jegyezni, hogy ez egy ideális eset a válóságban ennél kevesebbet fog termelni. A mi igényeinkhez megfelelően három 1kW szélgenerátort kell kiépíteni, mivel 3*3,4kWh/nap= 10,2kWh/nap energiát termelhet egy átlagban 4m/s szélsebességben. Ez persze nem lehetséges minden nap, lesznek olyan napok, amikor az akkumulátorokból kell majd az energiát vételeznünk, ezért a megfelelő akkumulátor mennyiség megválasztása is rendkívül fontos dolog. Élettartamát tekintve közel 30 évig is működhet és kisebb dolgok mellett különösebb karbantartást nem igényelnek. Ez a beruházás kb. 1,5millió Ft-ba kerülhet.

5.3.Energiatárolás[1][14] Szigetüzemű rendszerhez szükséges egy nagy teljesítményű, nagy töltés/kisütés álló képesség, nagy élettartamú és ciklusálló képességű akkumulátorra. Napjaink Ilyen akkumulátorait szolár akkumulátoroknak hívjuk. Felépítése hasonló az autóakkumulátorokhoz, mivel ezek is savas ólom dielektrikummal rendelkeznek, de ezek sokkal nagyobb tömegű ólommal rendelkeznek, ezért nagy ciklusálló képessége van. Ez azt jelen25

ti, hogy rendkívül jó hatásfokkal tud hosszú időn át ellenállni a folyamatos töltés kisütés ciklusokat, de csak a tároló képességük 20%-ig. Viszont ezek az akkumulátorok súlyosabbak és költségesebbek az autóakkumulátorokhoz képest. Az akkumulátorok elhelyezésénél nagy figyelemmel kell eljárni a helyég szellőzésére és fűtésére. Lehetőség adódhat más energiatároló használatára, ilyen pl. a szuperkondenzátorok más néven ultrakapacitások. Felépítése hasonlít a kondenzátorokéra, aminek a kapacitását egy egyszerű számításból megadható C=Ɛ0ƐrA/d. Tehát a kapacitás értéke függ a d fegyverzetek közötti távolságtól és A felületétől. Az ultrakapacitások több ezer farados nagyságát elsődlegesen a két geometriai jellemző módosításával érhető el. Előnyük a akkumulátorokhoz képest, hogy egy két nagyságrenddel nagyobb fajlagos teljesítménynyel rendelkeznek. Ultrakapacitásuk élettartama a gyártók többsége 10 évben és 500ezer ciklusban határozzák meg. Hátránya pedig az, hogy az áruk még magas, illetve a 250C fok túllépése, névleges feszültség túllépése és a nagy áramterhelések nagymértékben csökkenthetik az élettartamát. Ultrakapacitás a magas áraik miatt nem érdemes használni. A szolár akkumulátornak két típusa terjedt el a piacon az ólom-savas, ill. a ólom-zselés felépítésűek. Használhatunk lithium-ion típusút, de ennek is magas az ára. Ólom-zselés akkumulátor cellái érzékenyek a túltöltésre, ami az akkumulátor korai tönkremeneteléhez vezethet. Viszont töltés-kisütésük egyszerűen megoldható, de áruk magasabb az ólom-savas akkumulátoréhoz. Mi esetünkben az ólom-savas akkumulátort használjuk legfőképp az áruk miatt. A piacon lévő akkumulátorokból a Banner Energy Bull termékcsaládból választottam 12V-os névleges feszültségű és 230Ah kapacitású változatát. Jellemzői ólom savas akkumulátornak, hogy nagy ciklusálló képességű, könnyen tölthető magas üzembiztonságú.

21.ábra Banner Energy Bull akkumulátor.[10]

26

5.3.1. Szolár akkumulátor kapacitásának meghatározása Az akkumulátor kapacitását úgy határozom meg, hogy az elegendő legyen 4 napi energiaigény fedezésére. Napi 12kWh fogyasztás 4 napon át az összesen 48kWh-t jelent, az ehhez szükséges akkumulátor mennyiséget pedig I=P/U egyenletből könnyen számíthatjuk. A rendszerünk feszültsége 48V, tehát I=48kWh/48V = 1000Ah kapacitás szükséges hozzá. A méretezésnél figyelembe kell venni, hogy az akkumulátornak veszteségei vannak, azaz az élettartama megóvása miatt annak csak a 80%-ig szabad kisütni, vagyis: 1000Ah*1,25=1250Ah-ra kell méretezni. Az akkumulátorunk tároló kapacitása 230Ah, ebből 1250Ah/230Ah= 5,43 db, ami kerekítve 6 db-ra van szükségünk. Mivel az akkumulátor feszültsége 12V, de a rendszerünké pedig 48V, ezért a mennyiséget meg kell négyszerezni. Két akkumulátor párhuzamos kapcsolásával lesz egy csoport és ezeknek a csoportoknak a sorba kapcsolásával kapunk 48V-ot a kimeneten. 22.ábra AkkumuláKinyerhető tényleges teljesítmény %

tor kapacitás és ciklusszám közti összefüggés.[1]

Töltés-kisütés db

Összesen 4*6db= 24db akkumulátorra van szükségünk. Az akkumulátorok élettartamát nagyban befolyásolja a töltés- kisütés ciklus száma. Háromszor nagyobb ciklus száma, mint egy hagyományos autóakkumulátornak. Élettartama kb. 6-10 év között van és ciklus száma pedig nagyjából 6000. Az élettartam növelésére hasznos a szélgenerátor nagy árammal való töltése elősegíti azt, de tapasztalat szerint 6 évente cserélni kell azokat. Ehhez az akkumulátorhoz 84000Ft/db árért hozzá lehet jutni. Tehát az összes akkumulátor ára: 24*84000Ft= 2016000 Ft.

27

5.4. Töltésszabályozó[1] A töltésszabályozók fontos része egy szigetüzemű rendszernek, mert megakadályozzák a szolár akkumulátor túltöltését, mélykisütését és ellátja a rendszer felügyeletét. Ezek a funkciók nagymértékben meghosszabbítják az akkumulátor élettartamát. Nagyon fontos, s nem kerülheti el a figyelmünket, hogy a napelemes töltésszabályozók semmiképpen sem alkalmazhatók szélgenerátorral együtt. Ez utóbbiak kimenete feszültséggenerátoros jellegű, annak belső ellenállása minimális. A kisteljesítményű szélgenerátorok többségénél magában a generátortestben van beépített töltésszabályozó. Ez esetben egyszerűen csak a szolárakkumulátorra kell csatlakozni. A szélgenerátoros töltésszabályozó egyik igen fontos feladata, hogy szélerőcsökkenés esetén csökkentse a töltőáramot, hogy az "ne fojtsa le" a légcsavart, vagyis az ne álljon meg, hanem folyamatosan forogjon a szélerőtől, az akkumulátor töltöttségétől és a terhelési viszonyoktól függően. Napelemes töltésszabályozó: 48V MPPT Solar Charge

Controller 40A típusjel

MPS403 A töltésszabályzóra a napelemeket csoportokba rakom, amelyben egy csoportba két sorba kötött napelem kerül. Az 14 napelemet 7 csoport képezi, amelyeket három darab töltésszabályzón keresztül kerülnek az akkumulátorokra. Az egyikre 3 csoport lesz kötve a csoportok pedig párhuzamosan egymással, eközben a másik kettőre pedig 2-2 csoport lesz kötve. Ezzel a töltésszabályzókban hagyunk egy jókora tartalékot és biztosítást a felől, hogy ha az egyik el is romlik a maradék kettő még működni fog. A gyártó 3 év garanciát ad rá. Ára nagyjából 60ezer Ft körül van, hárommal számolva az 180ezer Ft.

28

23.ábra Töltésvezérlő paraméterei.[11] Korszerű mikrokontrolleres töltésszabályozó a gyártmányok 12 és 20 A-es töltőárammal és 12 V névleges feszültség mellett 13,5 ... 15,0 V állítható töltőfeszültséggel rendelkeznek. A kimenet mélykisütés elleni védelemmel, túláramvédelemmel, valamint érzékeli a kimeneti terhelés bekapcsolását. Változó megvilágítási viszonyok esetén a készülékek automatikusan megkeresik a maximális hatásfokú, legnagyobb teljesítményt nyújtó munkapontot, így kiválóan alkalmazhatók mind amorf szilícium vékonyréteg, mind mono-, ill. a mi esetünkben a polikristályos modulokhoz.A kimenetnek intelligens terhelésfelismerő áramköre van, amely biztosítja, hogy pl. 5 W-nál nagyobb terhelés esetén a készülék bekapcsol. Ha a terhelést lekapcsoljuk, akkor a töltésszabályozó is stand-by (készenléti), népiesen mondva "alvó" állapotba kerül, ezzel is csökkentve a fogyasztást. Szélgenerátor kontroller: A fent említett szélgenerátorhoz külön-külön kell szerelnünk töltésszabályzót. Ez költséges, de a biztonságos működés érdekében így kell szerelnünk, mivel lehetséges, hogy a szélgenerátorok nem ugyanakkora sebességgel forognak, így a különböző terhelések tönkretehetik a töltésszabályzót. A töltésszabályzó típusa FDC-1K és paraméterei a következő táblázatban látható. Ennek a feladata, hogy a váltakozó feszültséget egyen irányítsa, és olyan feszültséget állítson elő, mely az akkumulátorok töltésére alkalmas. Ára nagyságrendileg 60ezer Ft ebből háromra van szükségünk, tehát összesen: 180ezer Ft. 29

24.ábra Töltésszabályzó paraméterei.[9] 5.5. Inverter méretezése és meghatározása[1] Szigetüzemű invertereknek nevezzük, azokat a DC-AC félvezetős átalakítókat, amelyek egyenfeszültségből valamilyen nagyságú és frekvenciájú váltófeszültséget hoznak létre. Többnyire 12V, 24V és 48V akkumulátorfeszültségből alakítja át 110V vagy 240V, 50 Hz (60Hz)-es hálózati feszültséggé. Két fő technológiával épülnek a ma kapható hálózati inverterek: transzformátorral és transzformátor nélkül. A transzformátor nélküli inverterek általában magasabb hatásfokúak, újabb technológiának számítanak. Vékonyrétegű napelemekhez azonban általában korlátozottan használhatók. Az inverterek méretezésénél a főbb tudnivalók a beépített összteljesítmény és annak paraméterei, ill. a napi csúcsterhelést. Nem szabad túlméretezni és alul méretezni sem, mivel ha túl van méretezve nagy veszteséggel fog működni, mert a hatásfoka jóval alacsonyabb lesz, viszont ha alul van méretezve, akkor pedig nem tudjuk kihasználni az összteljesítményt. Törekednünk kell a jó inverter megválasztására és 90-110% közötti kihasználtságára, mert ennél az értéknél a gyártók szerint jó a hatásfok. Az akkumulátor megfelelő méretezése garantálja, hogy az inverter ki tudja szolgálni a magas teljesítmény igényű fogyasztókat is. Néhány fogyasztó, mint például a hűtő, fagyasztó, szivattyú indításkor nagyon magas áramot vesz fel egy rövid ideg, ezek a készülékek kiszolgálásához fontos a megfelelő inverter kiválasztása nagyon magas túlterhelési kapacitással. Kiválasztott inverter: SMA Sunny Boy 5kW Inverter, amelyre a gyártó 10év garanciát vállal. A szigetüzemű rendszerhez két invertert használnék. Az egyik inverterre lenne kötve a nagyobb teljesítményű konyhai gépek. A másikhoz pedig minden más elektronikai készülék. Természetesen kompromisszumot kell kötnünk a konyhai gépek működtetésénél, mivel az inverter nem tudna ekkora teljesítményt leadni, ezért ajánlott a ké30

szülékek felváltva működtetése. Biztonsági okokból is jó megoldás lehet a két inverter használata, mivel ha az egyik tönkre megy, a másik még tud áramot szolgáltatni. Ára 797500 Ft, vagyis összesen ennek a duplája 1595000Ft.

25.ábra Inverter paraméterei.[12] Élettartamukat tekintve kb. 10-15év, vagyis egy inverter cserére mindenféleképpen szükségünk lesz a rendszerünkben a 25évet kibíró napelemei és szélgenerátorai mellett. Szükségesek egyéb berendezések is: A napelem és az inverterek miatt szükségünk van túlfeszültség védelemre és le kell tudnunk választani a napelemeket az akku teleptől és inverterről. Az AC oldalon a túláram védelmet és rövidzár védelmet egyszerű kismegszakítókkal megoldható. A sorba kötött napelemek védelmét DC egyenáramú megszakító (10A 6kA) látja el, amelyből 7 db szükséges és 1562Ft/db, vagyis 10934Ft. AC oldali túláram védelem és rövidzár védelem: 2db 1p 6kA 20A kismegszakítót teszünk, aminek az 2*735Ft= 1470Ft. Szélgenerátorokhoz érdemes tenni túlfeszültség levezetőt. 3db-ra van szükség és darabja kb. 45ezer Ft. Így összesen 135ezer Ft. Vezetékek szükséglete a napelemektől a szabályzóig, ehhez szükséges szolár vezeték: kb. 50m 4mm2-es vezetéken 208Ft/m, vagyis 10400Ft összesen. A szabályzótól az akkumulátorig használhatunk 4mm2 sodrott réz vezetéket, melynek ára olcsóbb 120Ft/m * 20m szükséges összesen 2400Ft.

31

Az inverterek bekötéséhez szükséges vezeték költség számítása előtt meghatározzuk a szabványos vezeték keresztmetszet méretet: 5kW/48V 105A táblázat alapján 16mm2 vezeték szükséges és 20m, így összesen 1038Ft/m*20m=20760Ft. A fogyasztók számára kismegszakítót teszünk fel 2db-ot és 1500Ft/db. Szélgenerátorunk vezetékezési költsége: 6mm2-es kábelt használunk, mégpedig 3*4erest és kb 150m, tehát az ára 570Ft/m*150m= 85500Ft. Együttes

áruk:

10934Ft+10400Ft+2400Ft+20760Ft+2*1500Ft/db+1470Ft+135ezerFt+85500Ft= 269464Ft A napelemes és szélgenerátoros rendszer beruházási költsége: Napelem+tartószerkezet:

1.075.970 Ft

Szélgenerátorok:

1.500.000 Ft

Akkumulátor telep:

2.016.000 Ft

Napelem töltésvezérlő:

180.000 Ft

Szélgenerátor töltésvezérlő:

180.000 Ft

Inverter:

1.595.000 Ft

Egyéb berendezések:

269.464 Ft

Összes anyag költség:

6.816.434 Ft

Munkaköltség kb.:

1.000.000 Ft

A rendszer teljes költsége:

7.816.434 Ft

5.6.Villamos energia veszteségei szigetüzemnél[1] A napelemek veszteségeiről, hatásfokáról már szó esett, de nem csak ennek van vesztesége, hanem mindegyik berendezésnek. A szélgenerátorok nagyban függnek a szélsebességtől, illetve adott körülmények között a akkumulátorbanktól távolabb helyezkedhetnek el a jó szélviszony kihasználása miatt, ezért számolhatunk egy kevés vezetéken keletkező veszteséggel is. A töltésvezérlő a maximális munkapont keresése és az a tény, ha nincs termelés, akkor érzékeli és kikapcsol majd, amikor újra lesz energiatermelés visszakapcsol, nagymértékben elősegíti, hogy minimális vesztesége legyen, ami legfeljebb 1-2%. Mint minden eszköznek, úgy az akkumulátornak is van vesztesége. A veszteségek jellemzésére két hatásfokot szokás megadni: -

amperóra [Ah] hatásfok a visszaadott és a felvett amperórák hányadosa 32

-

wattóra [Wh] hatásfok a visszaadott és felvett energia hányadosa

A wattóra hatásfok mindig rosszabb, mint az amperóra hatásfok, mivel a töltés magasabb feszültségen megy végbe, mint a kisütés. Az akkumulátorban tárolt energia névleges értéke E_akku [Wh]. Számítása: E_akku=U_akku*Ah_akku=U*C_akku Tapasztalat szerint az akkumulátorokból sajnos nem lehet kivenni a teljes energiamenynyiséget, a legtöbb esetben annak csak az 50-75%-át hasznosíthatjuk. Az akkumulátor önkisülése miatt veszít az energiájából. Az invertereknek is van vesztesége, mégpedig az állandó üresjárási amperfelvétele miatt. Azt az invertert, amelyre lefekvés után nincs szükség érdemes kikapcsolni a veszteségek elkerülése érdekében. 5.7.Villamos rendszer műszaki megfontolásai[5] Megállapítottuk mennyi és milyen berendezéseket használunk a szigetüzemű villamos rendszer kialakításánál. Ebben a pontban néhány műszaki megfontolásról fogok beszámolni. Az ábrán a kiválasztott típusokkal kialakított szigetüzemű rendszer elvi képe látható.

27.ábra Szigetüzem kialakítása.[9] Először is a szélgenerátorokat és a napelemeket nem ajánlott egy töltésszabályozóra kötni, hiába lenne alkalmas az adott töltésszabályzó mindkét típus feszültségek kezelésére. Megtörtént eset, hogy erős, viharos szélben és erős napsütésben bár a controller 33

képesnek kellett volna lenni a nap és a szél kezelésére, de túlterhelést nem tudta leszabályozni és elfüstölt a töltésszabályzó. Nagyjából négyszeresen volt túlterhelve a töltésszabályzó a 16-18A helyett 70A folyhatott át rajta. Ezért érdemes és a mi esetünkben is külön töltésszabályzót szerelni fel. Fontos probléma a szélgenerátorok túlpörgése elleni védelme, ami könnyen tönkreteheti azt. Tehát az erős szélből a túlpörgés miatt kifordul a szélből, ezzel megóvja a kár keletkezésétől. Lehetőség van egy úgynevezett fékező ellenállás, vagy fűtőbetét alkalmazására, ami akkor kapcsol be, ha a generátorok és napelem is teljesen feltöltötte az akkumulátorokat, ennek következtében túlpörögne a szélgenerátor. Ezután a szélgenerátor controllere érzékeli a feszültségnövekedést –általában 52V feletti feszültség- és egy 3f greatz hídon keresztül feszültség letörést létrehozva rákapcsolja a fékező ellenállást. Ezt a többlet energiát hasznosíthatjuk esetleg víztartály fűtésére, ezáltal nyerve meleg vizet. A szolár akkumulátorok visszajelzik a töltöttségüket a töltésszabályozón keresztül. Mivel fontos tudnia, hogy az akkumulátor teljesen fel van-e töltve, vagy le van merülve. A „feltöltött” visszajelzést a túlterhelés okozta sérülések miatt fontos tudnunk. Különböző módszerek léteznek az akkumulátorok töltöttségének megállapítására, az egyik legelterjedtebb ezek közül a feszültség mérése. Az állandó feszültség érték a terhelés leválasztásánál napelemes rendszerekben gyakran nem megfelelő eljárás az alacsony kisütési áram miatt. Lehetséges a feszültség mérés mellet, amikor a töltő/kisütő áramot figyelembe vesszük a terhelés leválasztásánál, de még ez a módszer sem a tökéletes terhelés leválasztására, ugyanis nem számol a külső hőmérséklettel, az akkumulátor életkorával, az egyéb külső körülményekkel. Csak egy úgynevezett SOC (Stage Of Charge) pontosan kiszámított érték mellett lehet az akkumulátorról a terhelést biztonságosan leválasztani. Meg kell jegyezni, hogy az érték nem azonos a rendelkezésre álló kapacitással. A megmaradt kapacitás még sok egyéb más tényezőtől függ, ilyen pl. az akkumulátor elöregedése, amellyel nem számol. A SOC és a névleges teljesítmény szorzata ad információt a kapacitásról.

34

26.ábra Akkumulátor aktuális töltöttsége.[5] Érintésvédelmi szempontból a lakásnak szabadon választhatunk egy módszert, mint pl. védőföldelés, azaz TT rendszer, vagy esetleg nullázást, TN rendszert. Mindenféleképpen gondoskodnunk kell a megfelelő védőföldelés kialakításáról.

27.ábra A rendszer kapcsolási sémája.

35

A rendszer kialakítását tekintve lehetőség adódhat kisfeszültségű hálózat kiépítésére. Ezt azért érdemes megfontolni, mert ezáltal a veszteségeket csökkenteni tudjuk úgy, hogy a megtermelt energiát nem kell kétszer átalakítani pl. a napelemekkel termelt kisfeszültséget azokra a fogyasztókra, amelyek kisfeszültséggel működnek rá lehet kötni. Viszont az ilyen egyenáramú rendszer kialakítása és szerelése fokozott figyelemre van igény. Amennyiben 3f fogyasztót is szeretnénk üzemeltetni, akkor egy másik inverter használata szükséges, amely 3 fázist képes előállítani. Lehetséges olyan módszer, amikor három 1fázisú invertert kötünk párhuzamosan létrehozva a kimeneten a 3fázisú hálózatot kapjunk.

36

6.Villamos energiaellátás megtérülési számítás A rendszer élettartamát figyelembe véve, vagyis 25 évre számoljuk a gazdaságossági számítást, mivel a napelemnek és a szélgenerátornak is ekkora az élettartama. Viszont az akkumulátorainkat 6-10évre éves csereciklussal számolva is minimum 3-szor szükséges a megvásárlása. Ez azt jelenti, hogy rendszer költségénél számolni kell 3*akkumulátor költségével is, de már egyet beleszámoltunk a összes költségbe, ezért: 2*2.016.000 Ft= 4.032.000 Ft Az akkumulátorok cseréjén kívül, ha nincs meghibásodás, akkor nem igényel a rendszer más egyéb költséget. Tehát összesen 11.848.434 Ft/25év. Megtérülési számítás: A fűtés és a meleg víz előállítását ebbe a számításba nem veszem bele. A napi elfogyasztott mennyiség 12kWh/nap. A mai normál árszabás mellett a villanyszámla költség/nap: 12kwh*37,56 Ft/kWh= 450,72 Ft. Éves szinten: 450,72 Ft* 365nap = 164512,8 Ft/év. Ezt a kapott összeget 25 éves időtartamra átszámítva: 4.112.820 Ft. A hálózat kiépítési költsége: 14.703.552 Ft. Összesen a hálózat kiépítésével és a 25év villanyszámlával együtt: 18.816.372 Ft/25év. A számításokból megállapítható, hogy a hibrid rendszer kiépítésének költsége olcsóbb a hálózat kiépítésének és a villanyszámlák költségétől. Ebben a formában megéri a hibrid rendszer megépítése.

37

7.Összefoglalás A XXI. század rohamos fejlődő világában az embereknek szükségük van a villamos energiára, mivel a mindennapi élethez nélkülözhetetlen. Ezért egy tanya esetében megvizsgáltam a villamos energiatermelés feltételeit és lehetőségeit. A megújuló energia és azok hasznosításának lehetőségeit kutatva rá kellett döbbennem, hogy bonyolult és komplex feladat egy olyan rendszer kialakítása, amely teljesen ellátja a tanya igényeit. Gondolok én itt arra, hogy melyik megújuló energiaforrás alkalmazásával érhetünk el műszakilag és gazdaságilag is a célnak megfelelő rendszert. Továbbá, ha megvan a kiválasztott energiaforrás, hogyan méretezzük azokat. A mi esetünkben egy hibrid rendszer kialakítását választottam. Szél és napenergiával biztosítjuk a tanya villamos energiaellátását. Úgy gondolom, ez a két energiaforrás nagyon jól kiegészítik egymást a folyamatos és kihagyásmentes energiaellátás érdekében. Természetesen többféle módszer létezik az ilyen rendszer létrehozására. A nap és szélenergiával való energiatermeléshez szükséges eszközök árai az elmúlt években csökkentek. Viszont egy átlagembernek beruházni egy ilyen rendszerre, még jó pár évnek el kell telnie ahhoz, hogy ne kerüljön esetleges nagy adósságba. Természetesen hálózatra csatlakoztatott rendszernél a magas akkumulátorbank finanszírozását nem kell beleszámolni a költségekbe, így elképzelhető, hogy ezt a formáját többen meg tudják fizetni, ellenben a szigetüzeművel. Tehát a villamos energia előállítása nem egyszerű, de ugyan akkor költséges feladat, ami felvet néhány problémát. Azonban, a 25 évre méretezett autonóm rendszer beruházási költsége nem éri el a hálózat befektetési költségét. Ez a megtérülési számításból jól látszik. A napelem méretezésénél látható volt, hogy a nyári és a téli időszakra nagyságrendekkel eltérő értékkel kellett számolni. A napenergia táblázatából jól leolvasható a havi átlag értékek, így kiszámított nyári júliusi hónap átlagértéknél kb. 6-szor annyi energiát termel a napelem mező, mint a téli időszak decemberi hónap átlagértékénél. A szélenergia kiszámíthatatlansága miatt rendkívül nehéz számolni vele. Előzetes szélmérések nélkül csak nagyjából tudjuk meghatározni, hogy az a mennyiség elegendő lesz-e a tanya ellátására. Nem beszélve a szigetüzem veszteségeiről. Összességében az én esetemben a szigetüzem kiépítése jóval olcsóbb költséget vonz maga után, mint a hálózat kiépítése. Ez azonban változhat, ha a távolság a tanya és a hálózat között csökkenne, illetve ha több fogyasztó esetlegesen 3f hálózat kiépítésére is

38

szükségünk lenne a tanyán. A legcélszerűbb a mostani formáját tekintve a szigetüzem kiépítése.

39

8.Summary The XXI. rapidly developing world of the century, people need electricity as essential to everyday life. Therefore, in the case of a farm I examined the conditions and possibilities of electricity production. The possibilities of renewable energy and their utilization searching I realized that complicated and complex task to develop a system that fully provides the needs of the farm. I am thinking here is that which can be achieved by using renewable energy sources is technically and economically appropriate to the target system. Also, if you have selected energy source, how to resize them. In our case I chose the development of a hybrid system. Wind and solar energy provide power supply to the farm. I think that these sources of energy complement each other very well and in favour of continuous and skip-free energy supply. Of course, there are several methods for creating such a system. The prices of solar and wind energy power generation is necessary to have decreased in recent years. But the average person to invest in such a system, even a couple of years must elapse in order to avoid any major debt. Of course, networked system of high battery bank funding should not be included in the costs, so it is possible that this form of people can afford, while the autonomous system. So, the production of electricity is not easy, but expensive task, which raises some problems. However, the investment cost of the size of autonomous system in 25 years is less than the investment cost of the network. This can be seen from the calculation of return. The sizing of solar cells was shown to have taken into account the different orders of magnitude summer and the winter season value. Solar power is easy to read table of the monthly average values thus calculated summer months of July mean value of approx. 6 times the amount of energy produced by the photovoltaic field, as the winter months of December the average value. Because of the unpredictability of wind energy is very difficult to count it. No advanced wind measurements we can only roughly determine the amount will be sufficient to supply the farm. Not to mention the loss of autonomous systems. Overall, in my case attracted the construction of an autonomous system behind much cheaper cost than the construction phase. However, this may change if the distance would decrease between the farm and the network, or if you build more consumers may

40

3f network would be needed on the farm. The best way to build considering the current form of the autonomous system.

41

Köszönetnyilvánítás Köszönetet mondok a következő személyeknek a szakdolgozatom elkészítésének segítésében: 

Kozák Csaba műszaki vezető Sinergy Kft.



Dr. Rónaföldi Arnold címzetes egyetemi docens Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

42

Irodalom jegyzék 1.Ferenczi Ödön Áramtermelés nap- és szélenergiából 2. http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0021_Megujulo_energia/ch05s03.ht ml 2015.12.03. 3. http://ekh.kvk.uni-obuda.hu/napelemek/17-napelemek-mukodese-esalkalmazasa.html 2015.12.03. 4. http://centroszet.hu/tananyag/elektro_bovitett2/21_szinuszos_vltakoz_feszltsg_ellltsa.ht ml 2015.12.03. 5. http://www.acrux.hu/sun/napelem2.html 2015.12.03. 6. http://www.met.hu/eghajlat/magyarorszag_eghajlata/altalanos_eghajlati_jellemzes/szel/ 2015.12.03. 7. http://www.civicsolar.com/sites/default/files/documents/canadian-solar-cs6p-p-250260-datasheet-176783.pdf 2015.12.03. 8. http://fonix-energia.hu/portfolio-single_ismerteto3.php 2015.12.03 . 9. http://www.ouyad.com/ 2015.12.03. 10. http://bolthely.hu/akkumulator/id/00771_Banner_Energy_Bull_munka_akkumulator_12 V_230Ah_Bal_ 2015.12.03. 11. http://www.alibaba.com/product-detail/2015-Ouyad-whole-sales-48V30A_60200801194.html?spm=a2700.7724857.29.200.Wv9gaL 2015.12.03. 12. http://store.energymatters.com.au/sb5000tl-21-les-ess 2015.12.03. 13. http://www.panenerg.hu/webimages/files/117_2007_GKM_2010_01_05.pdf 2015.12.03. 14.Elelktrotechnika 2006/11

43