Varga Pál
Napelemes rendszerek
épületgépész szemmel
MAGYAR ÉPÜLETGÉPÉSZEK SZÖVETSÉGE
Ahová jó tartozni! Magyar Épületgépészek N a p e n e rgi a Eg ye s ü l e te
A MÉGSZ és a MÉGNAP ajándék szakmai kiadványa tagjainak 2016. december
Tartalom 1. Bevezetés .................................................................................................................................... 3. 2. Globális kitekintés ....................................................................................................................... 4. 3. Hazai helyzetkép ......................................................................................................................... 5. 4. A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek hazai jogi háttere.................................................. 5. 5. A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek általános kialakítása .......................................... 7. 6. A napelem ................................................................................................................................... 8. 6.1. A napelem cella és a napelem....................................................................................... 8. 6.2. Névleges napelem jellemzők megadása ....................................................................... 9. 6.3. A napelemek jelleggörbéje ......................................................................................... 10. 7.
A napelemekkel hasznosítható energia nagysága ................................................................... 11.
8.
Az inverter ................................................................................................................................ 13. 8.1. Szerkezeti kialakítás és hatásfok ................................................................................. 13. 8.2. Csak minősített, jóváhagyott inverter alkalmazható .................................................. 14. 8.3. Hálózatra kapcsolt, vagy sziget üzem? ........................................................................ 14. 8.4. Egy fázis, vagy több? ................................................................................................... 14. 8.5. Munkapont követés, egy MPPT, vagy több?............................................................... 14. 8.6. Az inverter és a napelemek illesztése egymáshoz ...................................................... 15. 8.7. Hová telepítsük az invertert? ...................................................................................... 17.
9.
Hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek energiamérlege .................................................... 17. 9.1. Jellegzetes üzemállapotok .......................................................................................... 17. 9.2. Akkor most mennyi áramot fogyasztottam? .............................................................. 18. 9.3. Éves energiamérleg ..................................................................................................... 19. 9.4. Napenergia részarány a saját fogyasztáson belül ....................................................... 20.
10. Teljesítmény-optimalizálók napelemes rendszerekben .......................................................... 21. 10.1. A probléma: a leggyengébb napelem hatása a soros kapcsolásban ........................ 21. 10.2. A napelem szintű teljesítmény-optimalizáló alkalmazásának főbb előnyei ............. 22. 11. Napelemes rendszerek monitoringja ....................................................................................... 25. 11.1. Inverter szintű monitoring........................................................................................ 26. 11.2. Napelem szintű monitoring ...................................................................................... 28. 11.3. Amikor már nem csak az energiahozam számít ....................................................... 29.
© Varga Pál, 2016. A kiadvány szerzői jogvédelem alatt áll, azt a szerző kizárólag a MÉGSZ és MÉGNAP tagjai számára, saját felhasználásra bocsátotta rendelkezésre, harmadik személyek számára nem átruházható. A kiadvány, vagy annak részei (szöveg, grafika, ábra, fotó stb.) a szerző előzetes írásos engedélye nélkül sem elektronikus, sem más adathordozón nem terjeszthető, másolható.
1.
Bevezetés A korszerű technológiák és a megújuló energiák felé nyitott épületgépész szakemberek számára a napenergia hasznosítás soha nem volt idegen terület. Ez azonban régebben kizárólag a napenergia fototermikus, azaz napkollektorokkal megvalósított hőtechnikai célú hasznosítását jelentette. A fotovoltaikus hasznosítás - azaz a napenergia közvetlen átalakítása napelemek alkalmazásával villamos energiává - az épületgépészek számára jellemzően ismeretlen, idegen terület volt. Egyszerűen azért, mert 5-10 évvel ezelőtt ilyen rendszerek Magyarországon – a ritka kivételektől eltekintve – nem valósultak meg. A világ azonban gyorsan változik. Az elmúlt 10-15 évben a távol-keleti, elsősorban kínai gyártókapacitások létrehozásával jelentősen csökkent a napelemek ára. Ez pedig beindította a napelemek tömeges alkalmazását főleg Európában (ezen belül is elsősorban Németországban). A nagy kereslet pedig igazi tömegtermelést, ezzel pedig újabb árcsökkenést eredményezett. Bár az árak csökkenése az utóbbi években jelentősen lassult, de így is sikerült eljutni arra a szintre, hogy a napelemes áramtermelés versenyképessé vált a vezetékes árammal ellátott területeken is. Mára a napelemes áramtermelés az egyik leggyakrabban alkalmazott megújulóenergia hasznosítási mód lett, ezért a korszerű technológiákkal lépést tartó épületgépész szakembernek ma már a napelemes rendszerek alkalmazásának alapvető, legfontosabb jellemzőivel is tisztában kell lennie. E kiadvány célkitűzése, hogy a szerző tollából az Épületgépész szakfolyóiratban korábban megjelent napelemes témájú írásokat alapul véve, épületgépészek számára nyújtson hasznos segítséget a napelemes rendszerek megismerésében. Nem tervezői és kivitelezői szintű ismeretek leírása volt a cél, már csak azért sem, mert ezek alapvetően villamosmérnöki és villanyszerelői feladatkörök. De a kiadvány elolvasása után remélhetőleg egy épületgépész is alkalmassá válik arra, hogy át tudja tekinteni a napelemes rendszer nyújtotta lehetőségeket, és így megfelelően számításba tudja venni, és helyén tudja kezelni ezt az új technológiát is az épületek energiaellátásának biztosításában.
2.
Globális kitekintés A napelemes áramtermelő technológia gyors ütemű fejlődése a 2000-es évek elején indult el. Korábban a napelemeket döntően csak ott alkalmazták, ahol a közcélú villamosenergia hálózat nem volt kiépítve. Ilyen helyeken úgynevezett szigetüzemű napelemes rendszerek valósultak meg. De ott, ahol a villamos energiahálózat elérhető volt, a napelemes áramellátás megvalósítása nem jöhetett szóba, egyszerűen a napelemes rendszer magas beruházási költsége miatt. A napelemes technológia azonban a 2000-es évek elején látványos fejlődésnek indult, ezzel párhuzamosan pedig a világ néhány országában – elsősorban Németországban és Ausztriában - a hivatalos energiapolitika komoly támogatást adott a napelemes rendszerek megvalósításához. A támogatási rendszereknek köszönhetően 2005-től meredek felfutás következett be, ez pedig visszahatott az árakra is. A napelemek ára 2005 és 2015 között kb. 75%-al csökkent. Beindult a növekedési spirál, ami azt eredményezte, hogy 2015 végére a világban már 228 GW névleges teljesítményű napelemes rendszer valósult meg. Csak összehasonlítás végett, ez 114 darab Paksi Atomerőmű kapacitásának felel meg.
1. ábra. A napelemes rendszerek névleges teljesítménye a világban Forrás: IEA Photovoltaic Power System Programme
2014 végére az európai villamosenergia termelésnek már 3,5%-át adta a napenergia. Olaszországban, Görögországban és Németországban ez a részesedés 7% felett volt. 2014-ben az IEA (Nemzetközi Energia Ügynökség) olyan forgatókönyveket is közölt, amelyekben a napenergia néhány évtized múlva átveheti a vezető szerepet a világ villamosenergia termelésében. Jelenleg a 2050re jósolt legvalószínűbb részarány 21%. Ehhez azonban hozzá kell tenni, hogy a napelemes technológia az utóbbi évtizedben olyan gyorsan fejlődött, hogy az eredmények mindig felülmúlták a jövőre vonatkozó becsléseket. Soha nem sikerült még megjósolni 5-10 évre előre a fejlődés ütemét. Például az Európai Unió 2009-ben 90 GW beépített teljesítmény elérését tűzte ki célul 2020-ra, de ezt már 6 évvel korábban, 2014-ben sikerült teljesíteni.
3.
Hazai helyzetkép Magyarország a napelemes áramtermelés területén ma még jelentős lemaradásban van az európai országok többségéhez képest. Az utóbbi években azonban Magyarországon is rohamosan kezdtek elterjedni a hálózatra kapcsolt napelemes áramtermelő rendszerek. Míg 2010-ben csak néhány száz ilyen rendszert tartottak számon, addig 2015. végére már 15000 darab ilyen rendszer valósult meg, közel 130 MW beépített kapacitással.
2. ábra. Háztartási méretű naperőművek kapacitása elosztói területenként Forrás: Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal (MEKH)
Az elsősorban 2012-től tapasztalható növekedés magyarázata a jogi háttér változása. A 2008-ban hatályba lépő villamos energiáról szóló törvény kedvező feltételeket teremtett az úgynevezett háztartási méretű kiserőművek (HMKE) számára. A törvény alkalmazása a bevezetést követő első években nem volt problémamentes, nagyjából 2012-re azonban kialakult és olajozottan működővé vált a hálózatra kapcsolt háztartási méretű napelemes rendszerek engedélyeztetése, pontosabban jóváhagyatási eljárása.
4.
A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek hazai jogi háttere Magyarországon a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény (VET) bevezette az 50 kW teljesítmény alatti, ún. háztartási méretű kiserőművek (HMKE) fogalmát. A törvény és annak végrehajtásáról szóló 273/2007. (X.19.) rendelet előírja, hogy a HMKE által termelt villamos energiát az adott csatlakozási ponton értékesítő villamosenergia-kereskedő köteles átvenni, és köteles annak méréséről is gondoskodni. A hálózatba összesen betáplált és vételezett villamos energia elszámolása a háztartási méretű kiserőmű tulajdonosának igénye alapján éves szaldó szerint végezhető el. Mindaddig, amíg az éves szinten betáplált villamos energia mennyisége nem haladja meg a vételezett mennyiséget, a betáplált energiát ugyanazon az áron számolja el a szolgáltató, mint amilyen áron a vételezett energiát vásárolják tőle.
Részletek a 2007. évi LXXXVI. számú, a villamos energiáról szóló törvényből (VET) és annak végrehajtási rendeletéből (Vhr): VET 3. § 24.: Háztartási méretű kiserőmű: olyan, a kisfeszültségű hálózatra csatlakozó kiserőmű, melynek csatlakozási teljesítménye egy csatlakozási ponton nem haladja meg az 50 kVA-t; VET 13. § (9): A háztartási méretű kiserőművek üzemeltetői által termelt villamos energiát az adott csatlakozási ponton értékesítő villamosenergia-kereskedő e törvény végrehajtására kiadott rendelet szerint köteles átvenni. VET 41. § (3): Az elosztó hálózati engedélyes köteles a külön jogszabály és az elosztói szabályzat alapján a háztartási méretű kiserőművek méréséről gondoskodni. Vhr. 5. § (5) Ha a háztartási méretű kiserőmű a csatlakozási ponton a közcélú hálózatba villamos energiát betáplál, akkor a háztartási méretű kiserőmű üzemeltetőjével, mint felhasználóval jogviszonyban álló villamosenergia-kereskedő, illetve egyetemes szolgáltató elszámolási időszakonként a hálózatba összesen betáplált és vételezett villamos energia vonatkozásában a felek megállapodása szerint havi, féléves vagy éves szaldó elszámolást alkalmaz. Vhr. 5. § (6) Amennyiben az elszámolási időszak során a vételezett és betáplált villamosenergia-mennyiségek szaldója alapján az elosztó hálózatba történő villamos energia betáplálás áll fenn, a betáplált villamosenergia-teljesítményt a háztartási méretű kiserőmű üzemeltetőjével jogviszonyban álló villamosenergia-kereskedő által a részére – mint felhasználó részére – a villamosenergia-vásárlási szerződés alapján értékesített villamos energia átlagos termékárán kell elszámolni.
A hálózatra csatlakozás, a kötelező átvétel és az éves szaldós elszámolás lehetősége összességében az jelenti, hogy a HMKE méretű napelemes rendszerek tulajdonosai az országos villamos hálózat formájában egy olyan ingyenes energia tároló eszközhöz (kvázi akkumulátorhoz) jutnak hozzá, ami korlátlan kapacitású, 100%-os hatásfokú, és hosszú ideig (egy évig) tud tárolni. Ez pedig nem más, mint az ideális szezonális tároló, melynek segítségével nem csak a napközben megtermelt energiát tehető el éjjelre, hanem a nyáron előállított energia is télire. A szezonális tárolóként működő villamos hálózat szükségtelenné teszi, hogy a napelemes rendszert a téli, gyenge napsugárzási időszakra kelljen méretezni, nem kell nagy kapacitású, drága és karbantartás-igényes akkumulátorokat sem alkalmazni. Mindezek eredményeként 100%-ban kihasznált, optimális méretű, így költséghatékony napelemes rendszerek valósíthatók meg, melyek segítségével egy adott létesítmény teljes éves villamos energia szükségletét fedezni lehet, vagyis az éves villanyszámlát le lehet nullázni (kivéve a minimális, lakosság esetén jelenleg bruttó 153 Ft/hó értékű alapdíjat).
5.
A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek általános kialakítása A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek lényegében két fontos részből állnak, a napelemekből és az inverterből. A napelemek egyenáramot állítanak elő, ezt pedig az inverter alakítja át a hálózatnak megfelelő váltakozó árammá. Ezen kívül még kábelezésre van szükség, valamint a helyi körülményektől függően szakaszoló, érintésvédelmi, villám-, és túlfeszültség-védelmi berendezéseket kell alkalmazni. A csatlakozó, szakaszoló és védelmi berendezéseket az egyenáramú oldalon az ún. DC csatlakozó dobozban, a váltakozó áramú oldalon pedig az ún. AC csatlakozó dobozban helyezik el. Ha az egyenáramú kábelezés épületen belüli hossza meghaladja az öt métert, akkor az Országos Tűzvédelmi Szabályzat (OTSZ), illetve ennek végrehajtását szabályozó Tűzvédelmi Műszaki Irányelv (TVMI) előírása alapján úgynevezett tűzeseti lekapcsolót is kell beépíteni. Ez egy távműködtetéssel ellátott kapcsoló, ami az épület tűzeseti lekapcsolása (áramtalanítása) esetén a napelemekből jövő egyenáramú vezetéket épületen belüli szakaszát is feszültségmentesíti. A napelemeket többnyire épületek tetőfelületére szerelik fel, az invertert pedig lehetőség szerint a napelemektől nem túl messze, száraz, hűvös, jól szellőztetett helyen kell elhelyezni. A legtöbb inverter IP védettsége a kültéri elhelyezést is lehetővé teszi. Az inverterből kilépő váltakozó áramú kábelt nem szükséges elvezetni a mérőóra szekrényig, az bárhol ráköthető az épület villamos hálózatára, ahol a vezeték keresztmetszete elegendően nagy ahhoz, hogy elvezesse a napelemes rendszer teljesítményét. Fontos része a napelemes rendszernek a kétirányú mérésre alkalmas ún. ad-vesz mérőóra, ami a hagyományos fogyasztásmérő helyére kerül. A mérőóra cseréje a hálózatot üzemeltető szolgáltató feladata. Az ad-vesz órán külön-külön leolvasható a hálózatból vételezett és a hálózatba visszatáplált energia mennyisége.
3. ábra. Hálózatra csatlakozó háztartási méretű napelemes rendszer felépítése
6.
A napelem A napelem olyan berendezés, ami a napsugárzás energiáját villamos energiává alakítja át. Fény hatására a napelem egyenfeszültséget állít elő, ha pedig a napelemeket megfelelő áramkörbe kapcsoljuk, akkor egyenáram keletkezik.
6.1
A napelem cella és a napelem A magyar szóhasználatban a „napelem” elnevezés alatt a több napelem cellát magába foglaló napelem modult, vagy napelem panelt értjük. A gyártás során a cellákat ún. EVA fóliák közé, valamint üveg fedőlap és műanyag hátlap közé laminálva helyezik el, és a napelemet alumínium kerettel látják el. A napelemen belül a cellákat forrasztással sorba kapcsolják, a pozitív és negatív pólusokat a napelem hátoldalán elhelyezett úgynevezett csatlakozó dobozba vezetik ki.
4. ábra. A napelem cella és a napelem kialakítása A napelemeknek három fő típusa létezik, a polikristályos, a monokristályos és a vékonyréteg napelem. Manapság a vékonyréteg napelemek használata visszaszorult, és szinte kizárólag poli-, és monokristályos napelemeket alkalmaznak. A monokristályos cellák hatásfoka magasabb, ezért azonos cellaméret esetén a monokristályos cellák névleges teljesítménye is magasabb. A szokásos 156 x 156 mm méretű cellák névleges teljesítménye kb. 4-5 W, névleges feszültségük pedig kb. 0,55 V.
5. ábra. Mono-, és polikristályos napelem cellák jellemző adatai
Manapság a 60 db cellát tartalmazó napelemeket gyártják a legnagyobb mennyiségben. Ezek kb. 1 m x 1,65 m méretűek (állítva és fektetve is elhelyezhetők). A 60 cellás monokristályos napelemek jellemző névleges teljesítménye 260-320 W, a polikristályos napelemeké pedig 250-275 W. A fajlagos, 1 W névleges teljesítményre vetített ár tekintetében a polikristályos napelemek ára alacsonyabb, ezért elsősorban ezeket alkalmazzák. Ugyanakkora névleges teljesítményű poli-, és monokristályos technológiával készült napelem éves energiahozama Magyarországon gyakorlatilag megegyezik. A magasabb hatásfokú, de fajlagosan drágább monokristályos napelemek alkalmazása elsősorban akkor célszerű, ha a napelemek elhelyezésére rendelkezésre álló felület szűkös, hiszen monokristályos napelemből adott felületre kb. 15-20%-al nagyobb névleges teljesítményű napelem helyezhető el, mint polikristályos napelemből.
6. ábra. 60 cellás mono-, és polikristályos napelemek jellemző mérete, hatásfoka és névleges teljesítménye
6.2. Névleges napelem jellemzők megadása Azért, hogy a különböző gyártmányú és típusú napelemek összehasonlíthatók legyenek, a napelemek teljesítményét és egyéb villamos adatait szabványosított teszt körülményekre (Standard Test Conditions, STC) vonatkozóan adják meg. Az STC körülmények esetén mérhető teljesítmény jelölése Wp, ahol a p index a „peak”, tehát a csúcsértéket jelöli. Ez elméleti maximális teljesítmény, amit a napelem laboratóriumban megteremtett STC körülmények esetén ad le, amikor a méréshez előállított mesterséges napsugárzás teljesítménye 1000 W/m2, a napelem cellák hőmérsékletét pedig 25°C-on tartják. Valóságos körülmények esetén a napsugárzás teljesítménye általában kisebb, mint 1000 W/m2, a napelem cellák hőmérséklete pedig napsugárzás hatására jóval magasabb, mint 25°C. A napelem teljesítménye arányosan csökken a napsugárzás gyengülésével, és szintén csökken a napelem felületi hőmérsékletének emelkedésével. Jellemzőnek tekinthető nyári napon, ha a napsugárzás teljesítménye 800 W/m2, a napelem
hőmérséklete pedig ennek hatására kb. 50°C, akkor a napelem a névleges STC teljesítményének kb. 70%-át adja le. Így például egy 250 Wp névleges teljesítményű napelem teljesítménye valós körülmények esetén kb. 180 W. A napelemek a névleges értékhez közeli teljesítményüket csak nagyon ritkán, főleg hideg tavaszi, vagy őszi napokon, derült, napos idő mellett tudják produkálni. Az STC szabványos körülményekre vonatkozó értékek mellett a napelemek villamos adatait gyakran megadják a valóságos körülményekhez jóval közelebb álló Nominal Operating Cell Temperature, rövidítve NOCT körülmények esetére is. Az NOCT reálisabb, 800 W/m2 napsugárzással számol, és figyelembe veszi a napelem felmelegedéséből adódó veszteséget is.
7. ábra 250 Wp névleges teljesítményű napelem villamos adatai STC és NOCT szabvány szerinti körülményekre is megadva
6.3. A napelemek jelleggörbéje A napelemek feszültsége és áramerőssége a napsugárzás erősségétől és a cellák hőmérsékletétől függően változik. A 2. ábrán egy 250 Wp névleges teljesítményű polikristályos napelem feszültség-áramerősség és teljesítmény jelleggörbéje látható, különböző erősségű napsugárzások esetén. Látható, hogy a maximális teljesítményű munkaponthoz tartozó feszültség kb. 30-31 V, és ez viszonylag állandó, a napsugárzás függvényében elsősorban az áramerősség, és így a teljesítmény változik. Látható az is, hogy a napelemek teljesítménye nagyjából egyenes arányban változik a napsugárzás erősségével. Gyakran hallható az a tévhit, hogy a napelemek gyenge napsugárzás („csak fény, csak világos”) esetén is ugyanúgy működnek, mint erős napsugárzás esetén. Ebből annyi igaz, hogy a napelemeknek gyenge napsugárzás esetén is „működhetnek”, de ekkor a napsugárzással arányosan a teljesítményük is nagyon alacsony, és van egy
napsugárzási küszöbérték is, ami alatt a napelemes rendszer nem tud energiát termelni.
8. ábra Napelemek áramerősség-feszültség (I-U) jelleggörbéje és teljesítménye a napsugárzás függvényében
Mivel a napelemeket hálózatra kapcsolt rendszerek esetében többnyire sorba kapcsolják, ezért a napelemek feszültsége összeadódik. Így a jellemzően 10-20 db napelem sorba kapcsolásával kialakított úgynevezett napelem sztringek, vagy másnéven füzérek feszültsége nagyon magas, 300-600 V körüli egyenfeszültség lesz. Ezért különösen óvatosan kell eljárni a napelemes rendszerek egyenáramú (DC) körének kivitelezésekor. Figyelembe kell venni azt is, hogy a napelemes rendszer nem kapcsolható ki. Ha a napelemeket fény éri, akkor a napelemek és a napelem oldali DC kábelezés feszültség alá kerül.
7.
A napelemekkel hasznosítható energia nagysága Napelemes berendezéseknél a rendszer nagyságát a beépített névleges napelem teljesítmény alapján szokás megadni. 1 kWp névleges teljesítményű napelemes rendszerrel Magyarországon kb. 1000-1200 kWh/év villamos energia állítható elő. A magasabb, 1200 kWh/év érték az ország déli részein érhető el, az alacsonyabb, 1000 kWh/év körüli érték pedig az ország napsugárzás szempontjából kedvezőtlenebb adottságú északi, északkeleti részein. A napelemes rendszerrel elérhető energiahozam jó közelítéssel megbecsülhető a Fotovoltaikus Földrajzi Információs Rendszer (PvGIS) szabadon hozzáférhető online kalkulátorának használatával.
9. ábra 1 kWp névleges teljesítményű napelemes rendszerrel hasznosítható villamos energia éves mennyisége Magyarországon A napelemekkel hasznosítható villamos energia mennyisége természetesen függ a napelemek dőlésszögétől és tájolásától. Magyarországon hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek esetén az optimális, legmagasabb hozam déli tájolás és megközelítőleg 35°-os dőlésszög alkalmazása mellett érhető el. A napelemek azonban kevéssé irány-érzékenyek, az elérhető hozam csak kis mértékben csökken az optimális elhelyezéstől való eltéréssel. Ezért a napelemek elhelyezésénél nem kell feltétlenül ragaszkodni a legnagyobb hozamot biztosító tájoláshoz és dőlésszöghöz, attól tág határok között is el lehet térni.
10. ábra Napelemekkel elérhető energiahozam csökkenése Magyarországon, az optimális déli tájolástól és 35°-os dőlésszögtől való eltérés függvényében.
8.
Az inverter A hálózatra tápláló napelemes rendszerek legfontosabb eleme az inverter. Fő feladata, hogy a napelemek által előállított egyenáramot a közüzemi hálózatnak megfelelő feszültségű és frekvenciájú váltakozó árammá alakítsa át. A mai korszerű inverterek azonban ennél sokkal több feladatot is ellátnak, optimalizálják az áramtermelést, biztonsági és védelmi funkciókat látnak el, adatgyűjtést és távfelügyeletet biztosítanak, igény esetén pedig még a saját fogyasztók egy részét is vezérelni tudják. A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerekben – humán anatómiai hasonlattal élve – a két legfontosabb szerv, a szív és az agy szerepét az inverter tölti be. Az inverter szabályozza a „vérkeringést” vagyis az áramot és a feszültséget mind az egyenáramú, mind a váltóáramú körben, a beépített fejlett elektronika pedig mindenre ügyel, ami a napelemekkel előállított villamos energia optimális hasznosításához szükséges.
8.1. Szerkezeti kialakítás és hatásfok Az inverternek a napelemekkel előállított egyenfeszültségből 50 Hz frekvenciájú, szinuszos jelalakú, a hálózattal szinkronizált (azonos fázishelyzetű) váltakozófeszültséget kell előállítania. A DC/AC átalakítást az inverter megfelelően vezérelt félvezetős áramkörökkel végzi. Főbb csoportosítás szerint az inverterek készülnek transzformátoros (50 Hz-es, vagy nagyfrekvenciájú ún. HF transzformátorral) és transzformátor nélküli kivitelben. A transzformátoros kialakítás ún. galvanikus leválasztást valósít meg a DC és az AC oldal között. Ez nagyobb biztonságot jelent abból a szempontból, hogy a DC feszültség nem kerülhet ki az AC oldalra. A transzformátoros inverterek DC oldalon földelhetőek mind a pozitív, mind a negatív oldalon, erre azonban csak vékonyréteg napelemek alkalmazásakor lehet szükség. A manapság döntően alkalmazott poli-, vagy monokristályos napelemek pozitív és negatív pólusai nem igényelnek földelést, ezért ezeknél alkalmazhatók a transzformátor nélküli inverterek. Ezek előnye, hogy könnyebbek, olcsóbbak és magasabb hatásfokú átalakításra képesek, így a tendencia egyre inkább ezek alkalmazása felé tolódik el. Az 1. ábrán példaként azonos gyártótól látható egy transzformátoros és transzformátor nélküli inverter hatásfok görbéje. A traszformátoros inverter hatásfoka a 30%-nál magasabb teljesítmény tartományban jellemzően 95-96% között mozog, míg a transzformátor nélküli kivitel hatásfoka ugyanitt jellemzően 96-98% közötti.
11. ábra Transzformátoros és transzformátor nélküli inverter hatásfoka
8.2. Csak minősített, jóváhagyott inverter alkalmazható Az inverter kiválasztásánál először is arra kell figyelni, hogy a választott típus megfeleljen a közcélú hálózati csatlakoztatáshoz előírt elosztói követelményeknek. Csak olyan invertert lehet alkalmazni, amit az adott terület hálózati engedélyese jóváhagyott. Az engedélyezett inverterek listája letölthető a szolgáltatók (ELMŰÉMÁSZ, DÉMÁSZ és E.ON) honlapjáról.
8.3. Hálózatra kapcsolt, vagy sziget üzem? Üzemmód szerint az inverterek lehetnek ún. „hálózatra kapcsoltak” (angolul: gridconnected), vagy sziget (akkumulátoros) üzemre alkalmas kialakításúak, illetve léteznek hibrid kialakítású, mindkét üzemre alkalmas inverterek is. A Magyarországon manapság döntő többségében megvalósuló, akkumulátor nélküli, hálózatra csatlakozó napelemes rendszereknél természetesen a „hálózatra kapcsolt” invertereket kell alkalmazni. Ez persze azt is jelenti, hogy - a gyakori tévhittel szemben - ezek a rendszerek áramszünet (hálózatkimaradás) esetén nem tudják biztosítani az adott épület villamosenergia ellátását. Az ilyen inverterek áramszünet esetén technológiai és védelmi okokból azonnal lekapcsolnak a hálózatról. Szerencsére Magyarországon az áramszünetek nem túl gyakoriak, ezért ezek áthidalása céljából nem éri meg az egyszerű, hálózatra csatlakozó rendszerek helyett a lényegesen drágább, sziget üzemre is alkalmas akkumulátoros rendszereket megvalósítani.
8.4. Egy fázis, vagy több? Az inverterek egyfázisú, vagy háromfázisú kivitelben készülnek. Ha a tervezett napelemes rendszer helyszínén a hálózati csatlakozás egyfázisú, akkor ide természetesen csak egyfázisú inverter csatlakoztatható. Egy fázisra maximum 5 kVA-es inverter teljesítmény kapcsolható, akkor is, ha a bejövő teljesítmény ennél nagyobb. Háromfázisú fogyasztói csatlakozás esetén napelemes rendszer invertere is jellemzően háromfázisú, de lehet alkalmazni fázisonként beépített egyfázisú invertereket is. Ügyelni kell azonban arra, hogy a fázisaszimmetria mértéke nem haladhatja meg az 5 kVA-t. Fázisonkénti egyfázisú inverter hálózatvizsgálat nélkül 2,5 kVA-ig csatlakoztatható. A 2,5 és 5 kVA közötti névleges teljesítményű inverterek egyfázisú csatlakoztatását pedig az elosztó hálózati engedélyes a hálózati paraméterek figyelembevételével, az igénybejelentésre adott műszaki-gazdasági tájékoztatóban írt feltételekkel engedélyezheti. A napelemes rendszer névleges AC oldali teljesítménye természetesen nem haladhatja meg a rendelkezésre álló hálózati betáplálás teljesítményét.
8.5. Munkapont követés, egy MPPT, vagy több? A napelemek áramerősség-feszültség (I-U) jelleggörbéje a 12. ábrán látható. A jelleggörbén meghatározható az a munkapont, ahol a napelem teljesítménye a legnagyobb. Az inverter feladata, hogy a napelemek ezen a legnagyobb teljesítményt adó munkaponton üzemeljenek. Ezt az inverter a feszültség szabályozásával tudja beállítani. Mivel a napelemek jelleggörbéje függ a napsugárzástól és a hőmérséklettől, ezért a körülmények változásával a legnagyobb teljesítményű munkapont feszültsége is változik. Egy munkapont optimalizáló modullal, ún. MPPT-vel rendelkező inverter ezért csak azonos teljesítményű, valamint azonos dőlésszögű és tájolású napelem sztringeket (sorba kapcsolt napelem csoportokat) tud optimálisan kezelni. A napelemek típusa,
száma, dőlésszöge és tájolása tehát egy sztringen belül nem térhet el egymástól, és az egy MPPT-vel rendelkező inverterre kötött párhuzamosan kapcsolt sztringeknek is azonosaknak kell lennie. Eltérő sztringek esetén vagy sztringenként külön invertert, vagy olyan invertert kell alkalmazni, ami több munkapont követő modullal, MPPT-vel rendelkezik. Szintén célszerű több munkapont követést alkalmazni, ha a napelem sztringek számottevő, egymástól eltérő árnyékolásával kell számolni.
12. ábra Napelem jelleggörbe az optimális munkaponttal
8.6. Az inverter és a napelemek illesztése egymáshoz A napelemek és az inverterek teljesítményét optimálisan illeszteni kell egymáshoz. Első közelítésben ai inverter gyártók ajánlása az, hogy az inverter névleges, AC oldali teljesítménye (PINV,AC) a napelemek DC oldali névleges teljesítményének (PPV) 80-120%-os tartományába kell, hogy kerüljön. 0,8 x PPV < PINV, AC < 1,2 x PPV A napelemek névleges teljesítménye ideális körülmények esetére van megadva, ezért ez a teljesítmény valós körülmények között ritkán fordul elő. Emiatt választható a napelemeknél kisebb teljesítményű inverter. Ekkor azonban előfordulhat, hogy optimális napsugárzási és hőmérséklet viszonyok esetén a napelemek munkapontja már kiesik az inverter munkatartományából. Ilyenkor pedig az inverter leszabályoz, ami hozamveszteséget eredményez. Különösen akkor következhet ez be, ha az inverter hűtése nem megfelelő, mert meleg helyiségben, vagy napsütésnek kitett helyre lett felszerelve. Ha a maximális hozam elérésé a cél, akkor az invertert inkább célszerű kicsit túlméretezni, főleg akkor, ha a napelemek tájolása és dőlésszöge közel van az ideálishoz. Az inverter kiválasztásánál ellenőrizni kell azt is, hogy a napelemes rendszerben előforduló feszültségek és áramok beleesnek-e az adott inverter megengedett, illetve a munkaponti tartományába. Ez alapján lehet meghatározni az egy sztringen belül sorba kapcsolható napelemek minimális és maximális számát, valamint a párhuzamosan kapcsolható sztringek számát (13. ábra).
13. ábra Napelemek soros, és sztringek párhuzamos kapcsolása
Az egy sztringen belüli sorba kötött napelemek maximális számát a napelemek üresjárati feszültsége (VOC) és az inverter maximális feszültsége (VINV,max) alapján lehet meghatározni. A napelemek feszültsége a hőmérséklet csökkenésével növekszik, ezért az ellenőrzést Magyarországon -10°C-os hőmérséklet figyelembevételével kell elvégezni. A legnagyobb feszültség tehát egy hideg, de derült téli napon következhet be, amikor például feszültség kimaradás miatt az inverter lekapcsol a hálózatról, így a napelemek üresjárati állapotba kerülnek. A sorba kapcsolható napelemek száma: nmax= VINV,max / VOC, NAPELEM (-10°C) Az egy szringben elhelyezhető napelemek minimális számát pedig úgy kell meghatározni, hogy a napelemek munkaponti feszültsége (VMPP) biztonsággal kerüljön bele az inverter munkaponti tartományába. A munkaponti feszültséget Magyarországon 70°C-os modulhőmérsékletre célszerű számolni. A sorba kapcsolt napelemek minimális száma: nmin= VINV,MPP,min / VMPP, NAPELEM (70°C) A párhuzamosan kapcsolható sztringek számát a napelemek rövidzárlati árama (ISC) és az inverter maximális bemenő áramerőssége határozza meg (IINV,max). nsztring, max = IINV,max / ISC, NAPELEM (70°C) Mindezek ellenőrzését általában nem kell kézi számítással elvégezni, mert az inverter gyártók szinte mindegyikénél elérhető ingyenes számítógépes kiválasztó program, ami elvégzi az összes szükséges paraméter ellenőrzését.
8.7. Hová telepítsük az invertert? Az ivertereket lehetőség szerint hűvös, száraz, pormentes helyiségben, tehát belső térben célszerű elhelyezni. A legtöbb inverter IP védettsége lehetővé teszi ugyan a kültéri telepítést is, azonban valószínű, hogy a külső térben jobban érvényesülő időjárási hatások az inverter élettartamának rövidülését eredményezik. Ha mégis külső téri telepítés történik, akkor javasolt az invertereket tetővel védeni a közvetlen napsugárzástól és a csapadéktól. A napelemes rendszerek megvalósítása során célszerű az egyenáramú vezetékszakaszt minél rövidebbre kialakítani. A magas feszültségű egyenáram esetén ugyanis ívképződés lehetséges, így tűzvédelmi szempontból sokkal nagyobb kockázatot jelent, mint a váltóáram. Ez azt indokolja, hogy az inverter a napelemekhez minél közelebb legyen elhelyezve. Emiatt azonban nem célszerű pl. a padlástérben történő elhelyezést választani, mert az itt fellépő nyári magas hőmérséklet az inverter nem megfelelő hűtését eredményezheti, ami gyakori leszabályozáshoz vezethet, és természetesen az élettartamát is csökkentheti. Az inverterek helyének megválasztását új megvilágításba helyezte a 2015. március 5.-én hatályba lépett 54/2014. (XII. 5.) BM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról (OTSZ). Ennek 48. pontja a 87.§-ban a következőket írja elő: „A napelem modulok közvetlen közelében, a DC oldalon villamos távműködtetésű és kézi lekapcsolási lehetőséget kell kialakítani.” Azt, hogy mit jelent a napelemek közvetlen közelében történő elhelyezés, a BM rendelethez tartozó Tűzvédelmi Műszaki Irányelv tartalmazza. Ha az invertert sikerül ezen a távolságon belül elhelyezni, akkor tekinthető úgy, hogy a napelemes rendszer külön távműködtetésű és kézi kapcsoló alkalmazása nélkül is megfelel az OTSZ előírásainak.
9.
Hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek energiamérlege A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerekkel akár a teljes éves villamosenergiafogyasztást fedezni lehet. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy a 100%-os napenergia fedezet csak az energiaforrásként és felvevőként is folyamatosan rendelkezésre álló villamos hálózat és az éves ciklusú szaldós elszámolás lehetőségének jótékony hatásaként érhető el.
9.1. Jellegzetes üzemállapotok A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek az energia vételezés, termelés, felhasználás és visszatáplálás pillanatnyi aránya alapján a 14. ábra szerinti jellegzetes üzemállapotokban működhetnek. Ezek az üzemállapotok a napszakoktól, az évszakoktól és természetesen az időjárástól egyaránt függenek.
14. ábra Hálózatra kapcsolt napelemes rendszer jellemző üzemállapotai
Az a. jelű üzemállapot azt mutatja, amikor a napelemek egyáltalán nem állítanak elő villamos energiát (pl. azért mert éjszaka van, vagy nagyon sűrű felhőzet takarja el a Napot). Így ez az üzemállapot megegyezik a napelem nélküli háztartások üzemállapotával, a saját fogyasztást teljes egészében a villamos hálózatból vételezett energia fedezi. A hálózatból vételezett és az elhasznált energia nagysága megegyezik (az általában minimális mértékű kábel és egyéb veszteségeket elhanyagoltuk). A b. jelű üzemállapotban már a napelemek is termelnek, de az általuk előállított energia még kevés, így a saját fogyasztás biztosításához a hálózatból is kell vételezni energiát. A c. jelű ábra azt a pillanatnyi üzemállapotot mutatja, amikor a napelemek által előállított energia éppen megegyezik a fogyasztással. Ilyenkor a villamos hálózatból már nem történik vételezés, azonban a hálózat csatlakozás meglétére természetesen folyamatosan szükség van. A d. jelű üzemmódban a napelemek már többet termelnek, mint a pillanatnyi fogyasztás, így a többlet napenergia a villamos hálózatba visszatáplálásra kerül.
A fenti üzemmódok a napelemek pillanatnyi termelése és a pillanatnyi fogyasztás változásainak függvényében automatikusan váltakoznak. Az inverter biztosítja azt, hogy napelemek által előállított energia minden esetben maximálisan hasznosuljon, és elfogyasztásra, vagy visszatáplálásra kerüljön.
9.2. Akkor most mennyi áramot fogyasztottam? A napelemes rendszerek újdonsült tulajdonosai gyakran teszik fel ezt a kérdést. A villamos fogyasztásmérőn eddig leolvasható volt a fogyasztás, a napelemek telepítése viszont megváltoztatja az addig megszokott viszonyokat. A fogyasztásmérő ugyanis valójában nem a ház villamosenergia-fogyasztását méri, hanem a hálózatból vételezett villamos energia mennyiségét. Napelem nélküli esetben a kettő megegyezik, hálózatra visszatápláló napelemes rendszer telepítése után azonban ez már nem lesz többé igaz. Innentől a fogyasztásmérőn,
az ún. ad-vesz mérőórán a hálózatból vételezett, és a hálózatba visszatáplált energia mennyiségét lehet leolvasni, ezek közül azonban egyik sem egyezik meg a fogyasztással. Jól méretezett esetben az ad-vesz órán leolvasott vételezés és a visszatáplálás éves ciklusban megegyezik. Ilyenkor a tulajdonos örül, hiszen nem kell villanyszámlát fizetni a szolgáltatónak, megvalósul minden kormány álma, a teljes rezsicsökkentés. De mennyi volt az éves fogyasztás?
9.3. Éves energiamérleg Egy tipikus családi házon megvalósult hálózatra kapcsolt napelemes rendszer éves villamosenergia mérlege a 15. ábrán látható. A ház éves villamosenergiafogyasztása 3000 kWh, a telepített napelemes rendszer éves energiahozama pedig szintén 3000 kWh.
15. ábra Hálózatra kapcsolt napelemes rendszer éves energiamérlege Milyen adatokat tud leolvasni a tulajdonos a példaként bemutatott rendszer esetében? Az ad-vesz mérőóráról, vagy a szolgáltató éves elszámoló számlájáról megtudhatja, hogy a hálózatból vételezett villamos energia éves mennyisége például 1800 kWh, a visszatáplált energia mennyisége pedig szintén 1800 kWh. Az inverterből, vagy az inverter online monitoring felületéről meg tudja határozni az azonos időszakra vonatkozó napelem termelési adatokat is. Tehát a tulajdonos azt is tudja, hogy a napelemes rendszerének éves energiahozama 3000 kWh volt. A veszteségeket elhanyagolva a termelési oldal és a felhasználási oldal energia mennyiségei egyenlők, így a 15. ábra jelöléseivel írható: Qnapelem + Evételezett = Fösszes + Evisszatáplált Az egyenletből a villamosenergia-fogyasztás meghatározható: Fösszes = Qnapelem + Evételezett - Evisszatáplált
Ha tehát a napelemes rendszer tulajdonosa arra kíváncsi, mennyi villamos energiát fogyasztott el egy év alatt, akkor össze kell adnia a napelemes rendszer éves hozamát és a hálózatból vételezett energia mennyiségét, és ebből le kell vonnia a hálózatba visszatáplált energia mennyiségét. Persze, ha az éves szaldó elszámolás eredménye nulla, akkor a fogyasztás éppen megegyezik a napelemes rendszer éves termelésével.
9.4. Napenergia részarány a saját fogyasztáson belül A saját fogyasztás két részből tevődik össze, a hálózatból fedezett, és a napelemekkel fedezett részből: Fösszes = Fnapból + Fhálózatból A 15. ábra szerinti, Magyarországi családi házakra jellemző példában a saját fogyasztás 40%-ban közvetlenül a napelemes rendszerből történt, 60%-ban pedig a hálózatból felvett energia fedezte azt. Lehetséges azonban a saját fogyasztáson belül kisebb, illetve nagyobb napenergia részarányokat is elérni (16. ábra). Az arány elsősorban attól függ, hogy a fogyasztást mennyire sikerül időben hozzáigazítani a napelemes rendszer termeléséhez.
16. ábra Példák a napelemmel fedezett saját fogyasztás (hazatáplálás) lehetséges részarányaira az éves energiamérlegben
Magyarországon jelenleg a korlátlan visszatáplálás és az éves szaldós elszámolás lehetősége miatt nincs különösebb jelentősége annak, hogy napelemekkel előállított villamos energiát közvetlenül felhasználják, vagy azt visszatáplálják a hálózatba. Ott viszont, ahol nincs meg a korlátlan betáplálás lehetősége, vagy a betáplált napenergiát csak alacsony áron számolják el, lényeges a napelemekkel megtermelt energia minél nagyobb részarányú saját felhasználásáról gondoskodni. Ezt egyrészt intelligens, a fogyasztást ésszerűen szabályozó vezérlésekkel, másrészt tároló kapacitások beépítésével lehet megtenni. A jövő kulcsa minden bizonnyal a tárolás: nagy kapacitású, jó hatásfokú, és nem utolsó sorban elérhető árú akkumulátorok kifejlesztése.
10. Teljesítmény-optimalizálók napelemes rendszerekben A napelemes technika gyorsan fejlődik. Az egyik legfontosabb újdonság ezen a területen, ami már Magyarországon is egyre jobban terjed, az úgynevezett napelemenkénti teljesítmény-optimalizálók alkalmazása.
10.1 A probléma: a leggyengébb napelem hatása a soros kapcsolásban A hagyományos hálózatra kapcsolt napelemes rendszerekben a napelem modulok egymással sorba kötve alkotnak egy sztringet. Adott sztringen belül, az egyes modulok nem függetlenek egymástól, hiszen a rajtuk átfolyó áramerősség azonos. A legkisebb teljesítményű modul meghatározza az átfolyó áramot, ezért egy gyengébb napelem az összes sorba kapcsolt napelem teljesítményét lecsökkenti. Egy napelem modul teljesítménye több okból is elmaradhat a többitől. Mindenekelőtt azért, mert már a gyártósort elhagyva sincs két teljesen azonos napelem. De a teljesítmény eltérhet a különböző megvilágítás (eltérő tájolás, vagy dőlésszög miatt), eltérő hőmérséklet (légáramlás) és mechanikai sérülés, szennyeződés, madárürülék, vagy eltérő öregedés, degradáció hatására is. A leggyakoribb probléma azonban, ami az egyes napelemek teljesítményét csökkenti, az árnyékolás. Ha a környező tárgyak, pl. fák, épületek, kémények, antennák, oszlopok stb. akár csak részlegesen is beárnyékolnak egy napelemet, akkor annak a teljesítménye jelentősen csökken. A napelemen belül a cellák soros kapcsolása miatt a teljesítmény csökkenése nem arányos az árnyékolt felület arányával, hanem annál sokkal jelentősebb. Egyetlen cella beárnyékolása a teljes napelem teljesítményét drasztikusan le tudja csökkenteni. Sőt, mivel a beárnyékolt cella polaritást vált és így fogyasztóvá válik, ezért benne túlmelegedés (hot spot) következhet be, ami a cella tönkremeneteléhez is vezethet. A napelem gyártók ezt a jelenséget úgynevezett áthidaló (bypass) diódák alkalmazásával védik ki. A jellemzően alkalmazott hatvan cellás napelemeknél a diódákkal a napelemet három 20 cellás részre osztják fel. Ha valamelyik részen belül az árnyékolás miatt polaritásváltás következik be, akkor a dióda áthidalja ezt a részt, így az árnyékolt részen nem folyik át a napelem árama, ami túlmelegedést tudna okozni. Az áthidaló diódák a napelemek csatlakozó dobozában helyezkednek el.
17. ábra Áthidaló (bypass) diódák alkalmazása 60 cellás napelemben Az áthidaló diódák védik a napelem cellákat a káros túlmelegedéstől, de a napelem árnyékolás miatti teljesítménycsökkenését nem tudják kiküszöbölni, annak csak a mértékét csökkentik. Ezért a sorba kapcsolt napelemek esetében az egyetlen (részben) beárnyékolt napelem a teljes sztring teljesítményét lecsökkenti.
18. ábra A részleges árnyékolás hatása hagyományos és napelemenkénti teljesítmény-optimalizálóval megvalósított rendszereknél Az egyes napelem modulok közötti teljesítménykülönbségek káros egymásra hatását úgy lehet kiküszöbölni, ha a napelemeket nem közvetlenül, hanem egy DC-DC (egyenáramról egyenáramra) feszültségátalakítón, úgynevezett teljesítmény-optimalizálón keresztül kötik sorba egymással. A teljesítményoptimalizálók gondoskodnak arról, hogy minden egyes napelem a saját maximális teljesítményű munkapontjának megfelelő feszültségen és áramerősségen üzemeljen. Ugyanakkor az optimalizálók a DC-DC átalakítás révén állandó, optimális feszültségszintet tudnak sztring szinten biztosítani az inverter számára.
10.2. A napelem szintű teljesítmény-optimalizáló alkalmazásának főbb előnyei: A napelem szintű teljesítmény-optimalizálók révén összetett tetőfelületek esetén is egyszerű rendszerfelépítés érhető el, mivel eltérő tájolású és dőlésszögű napelem mezők is egy sztringbe kapcsolhatók. Az inverterekkel együttműködő optimalizáló egységek egy meghatározott sztringfeszültséget tartanak fenn. Mivel
a feszültség nem növekszik a sorba kapcsolt modulok számával arányosan, hosszabb sztringek, szabadabb napelem mező kiosztások valósíthatók meg. Az árnyékolás miatt fellépő különbségek sem csökkentik az egész mező teljesítményét, így olyan tetőrészekre is kerülhetnek napelemek, ahová hagyományos rendszerek esetében az árnyékolás miatt nem volt tanácsos az elhelyezésük.
19. ábra Napelem szintű teljesítény-optimalizálók révén összetett tetőfelületekre is telepíthetők napelemek. (Forrás: SolarEdge) A napelem modulonkénti optimalizáló használata esetén az egész rendszer teljesítménye növekszik, mivel minden egyes napelem modul a neki megfelelő, optimális állapotban üzemel. A gyártói adatok alapján a modulonkénti hozam akár 25%-kal is magasabb lehet, mint egy hagyományos felépítésű rendszer esetén. Az állandó DC sztring feszültség miatt pedig az inverter a legmagasabb hatásfokú állapotban üzemel, a sztring hosszától és a hőmérséklettől függetlenül. Az optimalizálóval megvalósított rendszerek a biztonság tekintetében is előrelépést jelentenek a kivitelezés során és az üzemzavari helyzetekben egyaránt. A napelemes rendszer telepítése és karbantartása során a DC vezetékrendszerben nem jelenik meg a hagyományos rendszerek esetén fellépő magas feszültség addig, amíg az inverter és a hálózati betáplálás nincs bekapcsolva. Az optimalizáló egységek rendszerhiba, vagy magas hőmérséklet érzékelése (tűzeset) esetén, önműködően lekapcsolják az adott modult. SolarEdge típusú optimalizálók használata esetén a hálózati betáplálás lekapcsolása esetén a DC feszültség napelemenként 1 V-ra csökken.
20. ábra Napelemenkénti teljesítmény-optimalizálók a tartószerkezetre rögzítve. (Forrás: SolarEdge)
Az optimalizáló egységeket beépíthetjük a napelemek mellé, de léteznek már gyárilag ezzel szerelt, ún. SMART napelem modulok is. Ez utóbbi esetben az optimalizáló egység helyettesíti a napelemek hátán lévő csatlakozó dobozt. Háztartási méretű rendszerek és a megszokott, 250 W körüli teljesítményű napelemek esetén, minden modulhoz 1 db optimalizáló tartozik. Nagyobb rendszerek, vagy kisebb teljesítményű napelemek esetén a költséghatékonyság miatt több modul is csatlakoztatható egy optimalizálóhoz. Az optimalizáló egységeket legtöbbször a keresztsínhez rögzítik, ezért még a napelemek felszerelése előtt kialakítható a sztring nyomvonala. A lapostetőkön alkalmazott, keresztsín nélküli tartószerkezet esetén a napelem modul keretén is lehetséges az egységek elhelyezése. A napelemenkénti teljesítmény-optimalizálók utólagosan, már meglévő, hagyományos napelemes rendszerek esetében is alkalmazhatók az inverter cseréje nélkül, mivel a megfelelő típusok bármilyen gyártmányú inverterrel képesek együttműködni. Ekkor azonban a napelem szintű adatgyűjtő és biztonsági funkciók még nem lesznek elérhetőek, ezen előnyök teljes körű kihasználásához további berendezés beépítése is szükséges.
11. Napelemes rendszerek monitoringja A mai korszerű napelemes rendszerek egyik igen hasznos és látványos szolgáltatása az online rendszerfelügyelet, a monitoring. Segítségével a napelemes rendszer működése ellenőrizhető és nyomon követhető, a pillanatnyi és a múltbéli halmozott adatok az interneten keresztül bárhonnan, akár egy okostelefon segítségével is egyszerűen elérhetők. Napelemes rendszerekben az inverter szinte minden esetben méri és regisztrálja a napelemek energiahozamát. A pillanatnyi teljesítmény és a halmozott energiatermelési adatok az inverter kijelzőjéről leolvashatók. A tapasztalatok szerint egy új napelemes rendszer boldog tulajdonosa az üzembe helyezést követő napokban rendszeresen figyeli az inverteren a termelési adatokat. Az újdonság varázsa azonban gyorsan elmúlik, és egy idő után a tulajdonos egyre ritkábban néz rá az inverterre. Így egy esetleges hiba, vagy beállítási probléma miatt bekövetkező hozamveszteség, vagy időszakos leállás jó eséllyel ki sem derül, esetleg csak az áramszolgáltatótól megkapott éves szaldós elszámolás mutatja majd ki, hogy a napelemes rendszer hozama elmarad a várttól. Manapság egy napelemes rendszer megvalósulási helyszínén - legyen az családi ház, intézmény, vagy vállalkozás - szinte biztos, hogy van internet elérési lehetőség. Az internet pedig lehetőséget teremt arra, hogy az inverter által regisztrált adatok ne csak helyben, hanem távolról is elérhetőek legyenek. A korszerű inverterek kommunikációs modullal is rendelkeznek, Wifi, vagy LAN segítségével rá tudnak csatlakozni az internetre, és adataikat az inverter gyártó által üzemeltetett szerverre tudják továbbítani. Az adatok megjelenítésére pedig az inverter gyártók online monitoring portált üzemeltetnek, melynek a használata általában az inverter teljes élettartamára szólóan ingyenes. A korszerű napelemes rendszerek tehát többletköltség nélkül, vagy a kommunikációs modul minimális
többletköltségével képesek biztosítani rendszerfelügyeletét, monitoringját.
a
napelemes
rendszer
online
Az online monitoring lehetőségét célszerű mindenképp igénybe venni, nem csak azért, hogy a tulajdonos a mobilján tudja mutogatni ismerőseinek a napelemei termelését, hanem azért is, mert ez valóban komoly segítséget jelent a rendszer felügyeletében, az esetleges kisebb-nagyobb hozamcsökkenést okozó hibák időben történő felderítésében. A rendszerfelügyelet a telepítőnek még hasznosabb, mint a tulajdonosnak, hiszen az esetleges hibákról ő azonnal email hibaüzenetet kap, és a felderítés, sőt a sokszor csak szoftveres beavatkozást igénylő módosítás, javítás akár távolról is elvégezhető.
11.1 Inverter szintű monitoring Inverter szintű rendszerfelügyeletre példaként az 1. ábrán az osztrák Fronius invertergyártó online monitoring portálja látható (www.solarweb.com). A portál nyitóoldalán a napelemes rendszer fontosabb működési adatai jelennek meg, mint az aktuális teljesítmény, napi energiahozam, valamint a napi, havi, éves, és egész élettartamra számított megtakarítás pénzértékben. A zöld lelkületű felhasználók kedvéért a CO2 kibocsátás megtakarítás, valamint ez átszámítva megtett autó kilométerre és elültetett fa darabszámra is kijelzésre kerül.
21. ábra A Fronius monitoring portál nyitó képernyője A monitoring portálon az archívum menüpontra kattintva megtekinthetők a korábbi adatok napi, havi, vagy éves felbontásban. Az archív adatokkal a napelemes rendszer működése egyszerűen áttekinthető, így felderíthető, hogy vannak-e energiahozam kiesést okozó hibák. Ha a napelemes rendszer üzemelt már legalább egy naptári évet, akkor az éves energiahozam adat jó tájékoztatást ad arról, hogy a rendszerrel nagyjából minden rendben van-e. Az éves grafikon megjelenítésénél célszerű a kWh/kWp fajlagos energiahozam kijelzést választani. Viszonyítási alapul vehető, hogy Magyarországon közel optimális dőlésszögű és tájolású napelem elhelyezés esetén 1 kWp névleges napelem teljesítménnyel földrajzi elhelyezkedéstől függően 1-1,2 MWh éves energiahozam érhető el. A 22.
ábrán latható, hogy a vizsgált rendszer 2015-ben 1,23 MWh/kWp energiát termelt, ráadásul úgy, hogy az január hónapban még nem is üzemelt. Az éves adatok alapján megállapítható, hogy ennél a rendszernél nagy baj nem lehet.
22. ábra. Éves fajlagos termelési adatok Ha az éves adatok elmaradást mutatnak a várttól, akkor célszerű tovább vizsgálni a havi és napi bontású adatokat. Hozamveszteség leggyakrabban a napelemek részleges beárnyékolása miatt áll elő, amit pl. környező fák, kémény, tetőablak, antennarúd, villanyvezeték, vagy egyéb kábel… stb. okozhat.
23. ábra. Árnyékolás, vagy felhősödés hatása a napi hozamgörbén
Az árnyékolás hatása a napi hozamgörbéken jól kimutatható. Egy nap vizsgálata nem elég, hiszen a hozamcsökkenést felhősödés is okozhatja, de ha a megközelítőleg derült napokon a hozamgörbe minden nap ugyanabban az időpontban mutat törést, akkor megállapítható, hogy ezt nagy valószínűséggel árnyékolás okozza.
11.2. Napelemszintű monitoring A napelem szintű teljesítmény-optimalizálók alkalmazása magában foglalja a napelemszintű monitoring lehetőségét is. Az inverter szintű monitoring az egy inverterre kapcsolt, vagy jobb esetben az egy stringre kapcsolt napelemek csoportjának csak az együttes termelési adatait tudja megjeleníteni. Ezzel szemben a napelemszintű monitoring minden egyes napelem teljesítményét és halmozott energiahozamát külön-külön is képes megmutatni. Így beárnyékolt, elszennyeződött, sérült, hibás, vagy bármilyen okból gyengébb teljesítményű napelem nem maradhat észrevétlen többé. Sőt, a monitoring részét képező napelem elrendezési vázlat segítségével az is pontosan meghatározható, hogy a napelemmezőn belül hol található a gyengébb napelem. A 24. ábrán egy SolarEdge optimalizálókkal megvalósított rendszer napelemszintű monitoring képernyője látható (monitoring.solaredge.com). A napelemek elrendezési vázlatán színárnyalat eltérés mutatja az egyes napelemek adott időszakra vonatkozó energiahozamát. A világosabb napelemek hozama magasabb, a sötétebbeké gyengébb, a konkrét napelem hozamok pedig számszerűen is láthatók.
24. ábra. Napelemszintű monitoring Layout (elrendezés) ablaka
11.3. Amikor már nem csak az energiahozam számít Magyarországon a villamosenergia törvény szerint a villamosenergia hálózat üzemeltetőjének korlátozás nélkül át kell vennie a háztartási méretű napelemes rendszerekkel termelt energiát. Ezért a hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek üzemeltetőinek jelenleg nem kell azzal foglalkozniuk, hogy a napelemek által termelt energia mekkora részaránya kerül közvetlenül felhasználásra az épületben, és mekkora részaránya kerül betáplálásra a hálózatba. Ez az állapot kedvező hazai specialitás, azokban az országokban, ahol már lényegesen nagyobb a megvalósult napelemes rendszerek kapacitása, a betáplálható energia mennyisége általában nem korlátlan, és az érte kapott ár is alacsonyabb, mint a vételezési ár. Ilyen feltételek mellet viszont már célszerű arra törekedni, hogy a napelemekkel előállított energia minél nagyobb részarányban a saját fogyasztás fedezésére kerüljön elhasználásra. Ezt egyrészt bizonyos fogyasztók (pl. mosó-, és mosogatógép, villanybojler… stb.) bekapcsolásának szabályozásával, másrészt napi tárolási kapacitású (7-10 kWh) akkumulátorok alkalmazásával lehet elérni. Az akkumulátorral és okos szabályozással megvalósuló rendszereknél különösen fontos az online rendszerfelügyelet, melynek már nem csak a napelemek hozamára kell figyelnie, hanem arra is, hogy a megtermelt energia mikor és mire fordítódik.
25. ábra. Akkumulátoros, „okos” szabályozással ellátott rendszer monitoringja
