Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • Készítette: • Petrikó László - tanársegéd SZE Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék • Galambos Róbert - tervező Elektromentor Kft.

•

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • KEOP-5.3.0/B/09-2010-0090: „A győri Széchenyi István Egyetem, Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézetének, energetikai fejlesztése, fűtési rendszerének szabályozhatóvá tétele, elektromos fejlesztése, megújuló energia felhasználásával” • KEOP-5.3.0/B/09-2010-0091: „A győri, Széchenyi István Egyetem, Baross Gábor Építési és Közlekedési Intézetének, energetikai fejlesztése, fűtési rendszerének leválasztása és szabályozhatóvá tétele, elektromos fejlesztése, megújuló energia felhasználásával” •

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény •

2014. május 20.

• Energetikai fejlesztés a Széchenyi István Egyetemen: • Korszerűsítették a Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézet épületét. • Befejeződött az energetikai beruházás a Széchenyi István Egyetemen. A Környezet és Energia Operatív Program keretében az Európai Unió és magyar állam támogatásával felújították az intézmény Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézetének épületét. A projekt keretében többek között az épületek fűtés szabályozottsága növekedett, új hő- és víz-szigetelés került kiépítésre az épületeken, és kicserélték a nyílászárókat. A beruházás keretében fotovoltaikus napelem- és napkollektor-park került kiépítésre. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • A Széchenyi István Egyetem Jedlik Ányos Intézete pillérvázas, vasbeton épület 40 évvel ezelőtti technológiával, az akkori előírásoknak megfelelő színvonalon készült. A megnövekedett energiaárak és a vasbeton szerkezet elhasználódottsága miatt szükségszerűvé vált az épület felújítása, és teljes energetikai korszerűsítése. • A beruházás több mint 540 millió forintba került, amelynek 92,53 százalékát pályázati forrásból fedezték. „A győri Széchenyi István Egyetem, Jedlik Ányos Gépész-, Informatikai és Villamosmérnöki Intézetének energetikai fejlesztése, fűtési rendszerének leválasztása és szabályozhatóvá tétele, elektromos fejlesztése megújuló energia felhasználásával” című, KEOP-5.3.0/B/09-2010-0090 azonosítószámú projekt keretében a beruházás az Európai Unió és a magyar állam támogatásával valósult meg a 2013. júniustól - 2014. májusig terjedő időszakban. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • A fejlesztés során megtörtént a homlokzat és a tető szigetelése, valamint kicserélték az épület nyílászáróit. • Az épület fűtési rendszerének primer és szekunder része – kialakítását tekintve – alapjaiban nem változott, azonban az építészeti átalakítás által érintett homlokzati fal elbontása helyén lévő korszerűtlen bordás csőradiátorokat – elsősorban a közlekedőterekben – szabályozható lapradiátorokra cserélték. Az új radiátorokat ez idáig hiányzó, visszatérő torlószelepekkel és termosztatikus szabályozószelepekkel szerelték fel. Az intézmény fűtési rendszere szárnyanként észak-déli tájolás szerint leválasztott, az egyes köröket időjárás-követő automatikával és hőmérséklethatárolással látták el. • A fejlesztés során az intézet világítási rendszerének részleges szabályozását a folyosókon mozgásérzékelők felszerelésével oldották meg. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • A fűtési rendszerből származó költségmegtakarítás nem biztosítja a forrásgazda által elvárt megtérülési mutatókat, ezért az elektromos energia egy részét megújuló forrásúra cserélték. • Ennek keretén belül egy három alrendszerből álló, összesen 330 kW teljesítményű inverteres napelem-rendszert, úgynevezett „Napelemes kiserőművet” hoztak létre a beruházás keretében. E kiserőmű első alrendszere a Laboratóriumi épület tetejére, második alrendszere a Jedlik Intézet, harmadik alrendszere a Baross Intézet déli homlokzatára, illetve az épületek ferde árnyékolóira került feltelepítésre.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • A KEOP-5.3.0/B/09-2010-0090 azonosítószámú projekt keretén belül a Jedlik Intézet „BC”, „CD”, „D” tornyaira összesen 126 db napelemet helyeztek el, amely 194 m2 napelem-felületet jelent, a „C” és „D” épület homlokzataira összesen 210 db napelem került fel, amely 344 m2 napelem-felületet jelent. A Laborépület tetején 1040 db napelem került elhelyezésre, 1706 m2 területen, amelyek által megtermelt energiamennyiség 50%-a a Jedlik Intézet alrendszeréhez tartozik. • A „Napelemes kiserőmű” e két alrendszere a napenergia felhasználásával megtermelt villamos energia egy részét a Jedlik Intézet elektromos hálózatába termeli, ezzel kiváltva a vásárolt elektromos áram egy részét. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • Mindegyik alrendszer rendelkezik egy belső almérővel, amely a rendszerek pillanatnyi teljesítményét és a megtermelt energiát külön-külön méri. A megtermelt energiamennyiség egy webes felületen leolvasható, valamint az egyetemet látogatók számára egy digitális felületen is nyomon követhető az Új Tudástér épület aulájában. • A digitális kijelző a pillanatnyi teljesítményt, a napi, heti és az összesen megtermelt energiamennyiségeket, továbbá a kiváltott CO2, barnaszén, olaj tonna ekvivalens mennyiségek adatait is megjeleníti. • A „Napelemes kiserőmű” által megtermelt energia mennyisége az időjárási viszonyoktól függ. • Elmondható, hogy a beüzemelésétől számított 12 nap alatt az Jedlik Intézet alrendszere 1677 kWh, a Laborépület alrendszere 15.396 kWh mennyiséget termelt. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • A tanulmányi épületre telepített napelemek nem csak energiatermelési funkcióval rendelkeznek, hanem esztétikai és komfortnövelési értékkel is bírnak, mivel a toronyépületekre függőlegesen telepített, barna színű, amorf Si típusú, vékonyréteg napelemek díszítő elemként is funkcionálnak, a déli homlokzat tantermeinek szemöldökére telepített, kék színű, polikristályos technológiájú napelemek pedig árnyékolási funkciót is betöltenek, csökkentve az épület nyári hőterhelését. • Az egyetemen létrejött „Napelemes kiserőmű” országos jelentőségű létesítmény, a jelenleg működő napelemes rendszerek között a mérete és a teljesítménye (330 kW) alapján az első 6 legnagyobb rendszer között foglal helyet. • Ha a napelemek építészeti-esztétikai és funkcionális elemként való másodlagos felhasználást is alapul vesszük, akkor kijelenthető, hogy a győri a jelenleg legnagyobb komplex „Napelemes kiserőmű” Magyarországon. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • A beruházás megtérülése és a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkentése érdekében a projektben megvalósításra került az épület használati melegvíz hőigényét szolgáló 48 db napkollektorból álló, 110 m2 területen elhelyezkedő napkollektoros rendszer is. • A beruházás megújuló energiaköltség-része a projekt összköltségének 25 százalékát tette ki, és a fejlesztés megvalósításával mintegy évi 30 millió forintos költségmegtakarítás várható. A projekt megvalósításával az egyetem hozzájárul a környezeti fenntarthatóság biztosításához, a közvetlen környezet, a levegő tisztaságának védelméhez, globális értelemben véve pedig az üvegházhatású gázok kibocsátásának mérsékléséhez. • A projekt egyfajta mintaprojektként is kívánja szolgálni a régió további környezetvédelmi beruházásait. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A projektet záró sajtóközlemény • • • • •

Széchenyi István Egyetem Lipi László, műszaki ellátási és fejlesztési igazgató 9026 Győr, Egyetem tér 1. tel.: 06-96/613-598 e-mail: [email protected]

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A támogatott tevékenységek közé tartozott még többek között a tanulmányi épület nyílászáróinak cseréje és homlokzatának felújítása, szigetelése, a fűtési rendszer korszerűsítése stb. • A prezentáció témája a pályázati támogatást elnyert tevékenységek közül csak a napelemes kiserőmű kialakítása. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A fotovillamos effektus felfedezésének és eddigi hasznosításának rövid története: • 1839: Alexandre-Edmond Becquerel (F) első kísérletei AgCl és AgBr bevonatú Pt-elektródákkal • 1860: Willoughby Smith (GB) felfedezi, hogy a Se máshogy vezeti az áramot világosban, mint sötétben (fotokonduktivitás) • 1870: Heinrich Hertz (D) Se-bevonatú fotovoltaikus celláinak hatásfoka 1-2% • 1883: Charles Fritts (USA) elkészíti az első napelemet: aranyfilmmel bevont vékony szelénréteg • 1904: Wilhelm Hallwachs (D) felfedezi a külső fotovillamos jelenséget (elektrolitba mártott Cu és Cu2O elektródák között fény hatására elektromos feszültség jön létre (Hallwachs-jelenség) 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A fotovillamos effektus felfedezésének és eddigi hasznosításának rövid története: • 1905: Albert Einstein (D) elsőként publikálja a fotovillamos jelenség kvantummechanikai alapjait (foton) • 1918: Jan Czochralski (PL) létrehozza az első fém monokristályt (1 mm átmérő mellett akár 1,50 m hosszúsággal) • 1939: Russel Shoemaker Ohl (USA) felfedezi a félvezetők működésének alapját képező P-N átmenetet (P-N Junction) • 1948: Gordon Teal és John Little (USA) a Czochralski-eljárásra alapozva megalkotja az első Ge-monokristályt (később Si-mk.-t is) • 1955: az első napelem (napcella) megjelenése a piacon (ár 25 $; határfok 2%; gyártó: Hoffman Electronics Semiconductor Div. - USA) • 1957: Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin és Calvin S. Fuller (USA) szabadalmaztatja a félvezetőn alapuló napelemet (solar battery) 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A fotovillamos effektus felfedezésének és eddigi hasznosításának rövid története: • 1958: Wanguard I – az első napelemes műhold (0,1 W; 100 cm2) • 1968: az első napelemes karóra • 1970: Zsoresz I. Alfjorov (SzU) és csapata a félvezető heterostruktúrák vizsgálata során megalkotja az első nagyhatékonyságú GaAs napelemet • 1967-72: Honda-Fujishima (J) jelenség felfedezése ill. publikálása (víz fotokatalitikus bontása H2 és O2 molekulákra TiO2 nanokristályos vékonyréteg segítségével • 1971: Szaljut 1 űrállomás (SzU) – 28 m2 napelem • 1973: Skylab űrállomás (USA) /az első fellövéskor az egyik napelemtábla leszakadt/ • 1977: a globális napelemtermelés meghaladja az 500 kWP teljesítményt • 2007: University of Delaware: 42,8% hatásfokú napelem 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A legnagyobb működő napelemparkok a világon:

• • • • • •

Topaz Solar Farm (California, USA) Terület: 2500 ha Beépített teljesítmény: 550 MWP Évente megtermelt villamos energia: 1100 GWh Üzembe helyezés éve: 2014 Építési költség: pontosan nem ismert (több milliárd $) 2015. 04. 29


• • • • • •

Agua Caliente Solar Project (Arizona, USA) Terület: 971 ha Beépített teljesítmény: 290 MWP Évente megtermelt villamos energia: 626 GWh Üzembe helyezés éve: 2012 Építési költség: 1,8 milliárd $ /~500 mrd Ft/ 2015. 04. 29


• • • • • •

Huanghe Hydropower Golmud Solar Park (Kína) Terület: 564 ha Beépített teljesítmény: 200 MWP Évente megtermelt villamos energia: 317 GWh Üzembe helyezés éve: 2011 Építési költség: 3,26 milliárd RMB (Jüan Renminbi) / ~144 mrd Ft 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A legnagyobb működő napelemparkok Európában:

• • • • •

Olmedilla (Spanyolország) Beépített teljesítmény: 60 MWP Évente megtermelt villamos energia: 87,5 GWh Üzembe helyezés éve: 2008 Építési költség: 384 millió € /~115 mrd Ft/ 2015. 04. 29


• • • • •

Puertollano (Spanyolország) Beépített teljesítmény: 50 MWP Évente megtermelt villamos energia: ? GWh Üzembe helyezés éve: 2008 Építési költség: ? millió € 2015. 04. 29


• • • • • •

Moura (Portugália) Terület: 130 ha Beépített teljesítmény: 32 MWP Évente megtermelt villamos energia: 88 GWh Üzembe helyezés éve: 2010 Építési költség: 250 millió € /~75 mrd Ft/ 2015. 04. 29


• • • • • •

Waldpolenz (Németország) Terület: 120 ha Beépített teljesítmény: 40 MWP Évente megtermelt villamos energia: 40 GWh Üzembe helyezés éve: Építési költség: 130 millió € /~39 mrd Ft/ 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • Működő napelemparkok Magyarországon:

• Sasfészek-tó pihenőhely (M1 autópálya; 22,5 km; MOL) • Úttörő beruházás, melyet a MOL valósított meg, az autópálya pihenőben működő töltőállomás villamos energia ellátására, és a megújuló energiaforrások népszerűsítésére. 2015. 04. 29


• • • • •

Szegedi Tudományegyetem Beépített teljesítmény: 661 kWP Évente megtermelt villamos energia: 782 MWh Üzembe helyezés éve: 2013 Építési költség: 880 millió Ft 2015. 04. 29


• • • • • •

Ópusztaszer-Balástya (Csongrád megye) Terület: … ha Beépített teljesítmény: 500 kWP Évente megtermelt villamos energia: ? MWh Üzembe helyezés éve: 2013 Építési költség: ? millió Ft 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): • A fotovillamos hatás (fotoeffektus, fényelektromos jelenség) egy küszöbszintnél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás (pl. látható fény vagy ultraibolya sugárzás) által egy anyag (főleg fém) felszínéből elektronok kiválása. • Albert Einstein 1905-ben publikált értekezéséig a fényt elektromágneses hullámnak tekintették, mely viszont a fotovillamos jelenségre nem tudott megnyugtató magyarázatot adni, a következők miatt: • - A fénnyel megvilágított fémlemezből kisugárzott elektronok száma függ a megvilágító fény erősségétől (minél erősebb fényt használunk, annál nagyobb). • - A kibocsátott elektronok sebessége (energiája) annál nagyobb, minél nagyobb a fény frekvenciája. Ez nem függ a fény intenzitásától. • - A fény frekvenciájának el kell érnie egy küszöböt, az alatt a jelenség nem indul be, a fényintenzitástól függetlenül. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): • Ha a fény valóban hullámként viselkedne, akkor nemcsak a kibocsátott elektronok száma, hanem energiája is függene a megvilágító fény intenzitásától. • Einstein magyarázata, hogy a fény részecskék (fotonok) folyama. A fotonok a fémben levő elektronoknak átadják energiájukat, így azok kiszakadhatnak az anyagból. • A fotonok energiája, a fény frekvenciájával arányos, ahol az arányossági tényező, a Planck-állandó (h = 6,625*10-34 J/s): E = hν • A fény intenzitásának növelésével csak a fotonok száma nő, energiájuk nem változik, így a kilépő elektronok energiája sem kell, hogy nagyobb legyen. A nagyobb frekvenciájú fényben levő fotonoknak viszont az energiája is nagyobb, így több energiát adnak a gerjesztett elektronoknak. Ez a két megállapítás magyarázza a jelenség első két pontját. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): • Arra, hogy a fény frekvenciájának el kell érnie egy küszöböt, az alatt a jelenség – a fény intenzitásától függetlenül - nem indul be, az a magyarázat, hogy a kötött elektronnak bizonyos minimális energiára van szüksége ahhoz, hogy szabaddá válhasson. Mivel az elektron az atomban nem vehet fel tetszőleges energiaszintet, a szabaddá válásához egy elég nagy energiájú fotontól kell ezt kapnia. • A hν = hν0 + ½mv2 képlet alapján a belépő foton energiája egyrészt az elektron felszabadítására fordítódik, a maradék pedig az elektron mozgási energiája lesz. A képletben ν0 az a bizonyos határfrekvencia, ami a jelenség beindulásához szükséges.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás): • A fotonok a félvezető atomjainak vegyértékelektronjait gerjesztik úgy, hogy azok átlépjenek a vegyértéksávból a vezetési sávba. A gerjesztéshez szükséges energia az anyagra jellemző tiltott sáv energiájával egyenlő. Azután, hogy egy elektron a vezetési sávba kerül, már részt vehet elektromos áram vezetésében, de ettől még nem alakul ki áram, mert a gerjesztett elektronok haladási iránya véletlenszerű, irányítani kell őket valahogy. Ellenkező esetben befoghatja őket egy olyan pozitív töltésű lyuk, ami egy másik elektron gerjesztésével jött létre (rekombináció). • A különböző módon szennyezett félvezetők párosítása (Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin és Calvin S. Fuller) olyan p-n átmenetet hoz létre az anyagban, ami önmagában is biztosítja a szükséges villamos mezőt. Napjainkban a napelemek többnyire a p-n átmenetre épülve készülnek.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők): • A napelemek anyaga leggyakrabban szilícium. A szilícium kristályrácsában minden atom kovalens kötéssel kapcsolódik négy szomszédjához. A szilícium rendszáma 14. • Az elektronhéjon elhelyezkedő 14 elektronból tíz a maghoz erősen kötődik és normális hőmérsékleti viszonyok között nem vesz részt a villamos vezetésben. A szilícium négy külső vegyértékelektronja a vegyértéksáv lehetséges energiaszintjeit tölti be. • A vezetési sáv kis hőmérsékleten teljesen üres, az anyag tökéletes szigetelőként viselkedik. Az abszolút nulla fölötti hőmérsékleten a vegyértékelektronok energiája nő, az elektronok átléphetnek a vezetési sávba és úgynevezett belső töltéshordozóként viselkedhetnek.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők): • 300 K hőmérsékleten a tiszta szilícium nagyon jó szigetelő, az adalékolatlan (intrinsic) töltéshordozók száma 1,6-1,7/mm3, ami jóval kevesebb, mint a fémekben szokásos 1020-1022/mm3 töltéshordozó. • A vezetési sáv és vegyértéksáv közötti tiltott sáv szobahőmérsékleten a szilíciumban 1,12 eV. • A vezetési tulajdonságok módosításához a szilíciumot kis mennyiségű, ellenőrzötten bevitt „szennyezővel” kell módosítani. A szilícium a periódusos rendszer IV. oszlopában helyezkedik el. A III. csoportba (bór, alumínium, gallium, indium) vagy az V. csoportba (foszfor, arzén, antimon) tartozó elemek bevitelével növelhető és pontosan szabályozható a vezetési sávban lévő elektronok vagy vegyértéksávbeli lyukak (elektronhiány) száma.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők): • Az V. csoportbeli elem bevitele esetén a kovalens kötés feltöltése után egy lazán kötött elektron marad, ami körülbelül 40-50 meV energiával átvihető a vezetési sávba (n típusú vezetés). • A III. csoport elemeivel végzett szennyezés estén a kovalens kötés elektronhiányos marad, „lyuk” keletkezik. A vegyértéksáv egy elektronja beugorhat erre az üres helyre és feltöltheti a kötést. A hatást tekintve ilyenkor a lyuk vándorol, mert a kötésbe beugró elektron helyén ismét visszamarad egy lyuk (p típusú vezetés). • A lyuk továbbviteléhez a vegyértéksávban 45-160 meV energia szükséges. A p típusú és az n típusú félvezető szilícium réteg találkozásánál kialakul a p-n határréteg.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők): • A határréteg keletkezésének pillanatában az elektronok koncentrációja az n rétegben nagyobb, a lyukak koncentrációja viszont a p rétegben nagyobb. A töltéshordozók koncentrációjában kialakult nagy különbség kezdeti diffúziós áramot hoz létre, az n tartományból elektronok áramlanak a p tartományba, a p tartományból lyukak lépnek át az n típusú részbe. Ez a töltésáramlás a p-n átmenetben egy kiürített réteget hoz létre, a kiürített rétegből hiányoznak a többségi töltéshordozók, vagyis az n rétegből hiányoznak az elektronok, a p rétegből pedig hiányoznak a lyukak.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők):

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők): • A kiürített rétegben lévő rögzített donor és akceptor szennyező ionokat többé már nem egyensúlyozzák ki a korábban ott lévő szabad töltések. Ennek eredményeként létrejön egy belső villamos erőtér, amely a továbbiakban megakadályozza az n tartományból az elektronok, illetve a p tartományból a lyukak áramlását. • Ezzel kialakul a záróréteg. Az erőtér nagysága pontosan akkora, amekkora kiegyensúlyozza a többségi töltéshordozók diffúzióval létrejövő áramlását.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (félvezetők): • A határréteg környezetéből hiányoznak a többségi töltéshordozók és a villamos erőtérben kialakul egy tértöltési réteg. Külső villamos erőtér (potenciálkülönbség) nélkül a kiürített rétegben nem folyik áram. A p és n típusú térfél külső felületén kialakított kivezetésekkel létrejön a félvezető rétegdióda. • A p típusú szennyezést tartalmazó oldalra kapcsolt pozitívabb feszültség hatására a határrétegen keresztül megindul az áram, ellentétes polaritás esetén a kiürített réteg szélessége tovább nő és áram nem folyik. • A NAPELEM MŰKÖDÉSÉNEK ALAPJA ÉPPEN A DIÓDA EGYENIRÁNYÍTÓ HATÁSÁBAN REJLIK. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás a félvezetőkben): • Fény hatására a napelem fotonokat nyel el. A fotonok elektronokat ütnek ki a kristályrács kötéseibe, ezáltal mozgásképes töltéshordozók keletkeznek. • A kiütött elektronok helyén pozitív töltésű ún. lyukak keletkeznek. • A kristályrácsban kötött elektronok elnyelik a ʋ frekvenciájú energiakvantumot, és ha annak h*ʋ energiája nagyobb, mint az elektron kötési energiája, akkor a különbözet a fotoelektron mozgási energiájában jelentkezik.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás a félvezetőkben): • A folyamatot az alábbi egyenlet írja le: • • • • • • •

h*ʋ = A + 1/2m*v2 ahol: h: Planck-állandó (6,625*10-34 J/s) ʋ: frekvencia [1/s] A: az elektron kilépési munkája (kötési energia) [J] m: az elektron tömege [kg] v: az elektron sebessége [m/s] 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek működési elve (fotovillamos hatás a félvezetőkben): • A mozgásképes töltött részecskékből így felesleg jön létre. Ezek az elektronok az 'n' oldali kontaktuson keresztül a külső áramkörön át a szolárcella 'p' oldali fémkontaktusához vándorolnak, ahol a 'p' dotált kristályrácsban egy szabad helyet (lyukat) elfoglalnak. Ez azt jelenti, hogy a szolárcellán belül a 'p' dotált tartományhoz vándorolt lyukak rekombinálódnak. • Ideális esetben a ciklus a töltéshordozó párok generatiójától a rekombinációig terjed. A cella addig működik, amíg a beeső fény hullámhossza és energiasűrűsége a fotoeffektust kiváltja. • A napelem (szolárcella, fotovoltaik) mindig egyenáramot állít elő, amit vagy közvetlenül tárolnak és hasznosítanak vagy átalakítják váltakozó árammá, és úgy hasznosítják. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • Si monokristály A Czochralski-eljárással készítenek egykristályos szilíciumot, amit különböző adalékokkal szennyezhetnek is. Nagyjából 180-240 mikrométer vastag szeletet (wafer) vágnak ki belőle. Sajnos az így kapott szilícium keresztmetszete nem szögletes, így nem jól fedi le a négyzetes napelem cellát. • Hatásfok 18-25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napcellák esetében). Viszonylag költséges az előállítása.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • Si polikristály Olvasztott szilíciumot megfelelő ütemezéssel lehűtve, megszilárdítva multikristályos anyagot kapunk, aminek az előállítása olcsóbb, viszont napelemek készítésére kevésbé hatékony, a szemcseszemcsehatárok ugyanis helyi rekombinációs régiókat hoznak létre, blokkolják az elektronok haladási útját. A kisebb anyagveszteség miatt megéri az olvasztott szilíciumot előbb film vastagságúra kinyújtani, és így megszilárdítani, az így kapott szalagnak (ribbon) azonban még kisebb a hatékonysága. • Hatásfok kb. 15%, az előállítása olcsóbb a monokristályos cellánál. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • Si polikristály Napelem gyártásakor az általában p-típusú (pl. bórral szennyezett) nyers szilícium lemezt n-típusú atomokat (pl. foszfor) tartalmazó légkörben hevítve a szilícium felületén n-típusú réteg alakul ki, ahogy a foszfor beépül a kristályrácsba (Solid state diffusion). Ezt további feldolgozás során úgy alakítják át, hogy a lemez aljára fémbevonat kerül, ez a p-szilíciumhoz kapcsolódik, a tetején található egy vékony n-réteg, amire csíkokban fémet visznek fel. A lemez alján és tetején levő fém lesz a napelem cella pozitív és negatív kivezetése.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása:

• Amorf (nem kristályos) Si-napelem Aktív réteg 1-2 mikron. Hatásfoka 4-8%, élettartama kb. 10 év. Olcsó az előállítása, a szórt fényt a Si-kristályos napelemeknél jobban hasznosítja. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • CdTe vékonyfilm Cadmium-tellurid (CdTe) filmet is használnak napelemek készítésére. Ennek a tiltott sávja (1,5 eV) jól illeszkedik a Napból érkező fotonok frekvencia eloszlásához, és így ár-érték arányban a szilícium versenytársa lett az utóbbi időben. A kadmium használata azonban környezetvédelmi aggályokat kelt toxikus hatása miatt, de normál körülmények között nem szabadul ki a cellából, sőt egy négyzetméter CdTe filmben csak nagyjából annyi a kadmium, mint egy NiCd elemben.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • CIGS vékonyfilm Rézből, indiumból, galliumból és szelénből álló vegyület félvezetők, tiltott sávja 1,0 eV és 1,7 eV közé állítható be a gallium arányának módosításával. Csaknem 20%-os hatásfokot értek el segítségével. Vákuumtechnikai eljárással készül, jelenleg vákuumtechnológiát nem igénylő gyártási eljárásokkal kísérleteznek.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • GaAs vékonyfilm Gallium-arzenid az alapja a ma használatos leghatékonyabb megoldásoknak. Gyakran több rétegű (multijunction) megoldásokban használják. Ennek lényege, hogy több rétegben visznek fel egymásra olyan félvezetőket, amik a különböző tiltott sávok alapján a Napból érkező fény spektrumának más-más részére reagálnak, így nagyobb részt hasznosítanak belőle. Egy háromrétegű megoldás használhat pl. Galliumarzenidet (GaAs), Germániumot és Gallium-Indium-foszfidot (GaInP2). Egyrétegű GaAs félvezetővel 25,8%-os hatásfokot sikerült elérni 2008-ban a holland Radbound University Nijmegen-ben. Többrétegű GaAs alapú megoldások akár 40%-nál nagyobb hatásfokot is el tudnak érni, de előállításuk nagyon drága, emiatt először az űrtechnikában jelentek meg. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • Szerves polimer félvezetők A viszonylag új technológia organikus polimerek és kisebb organikus molekulák fotovoltaikus hatásaira épül. Ezek előállítási költsége nagy mennyiségben alacsony, jól alakíthatóak, nem károsítják a környezetet, cserébe viszont élettartamuk rövidebb, és kevésbé hatékonyak, mint a nem organikus megoldások. A polimerekben a fotonok hatására erősen kötött elektron-lyuk párok, excitonok jönnek létre. Az excitonok a donorfelület határán szétválhatnak, ahol az elektron a fogadó felület alacsonyabb energiájú vezetési sávjába áramolhat.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati kialakítása: • Kutatási irányok A kutatások egy része a mai napelemek hatékonyságának növelésére, a gyártási költségek csökkentésére irányul, egyes cégek/egyetemek viszont teljesen új jelenségeket fedeznek fel, és ültetnek el a köztudatba. • Olyan egyszerű megoldások is születnek, amik a kereskedelemben kapható napelemek hatékonyságát próbálják javítani azzal, hogy különböző anyagokkal vonják be a napelem felületét ezzel csökkentve pl. a felület tükröződését. • Mások, szintén a felület módosításával olyan cellákat készítenek, amik ahelyett, hogy délben adnák le a legnagyobb teljesítményt, inkább akkor működnek jól, amikor a fény laposabb szögben érkezik, így naponta kétszer is csúcsra tudják járatni a napelemeket. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati alkalmazása - szigetüzem: • A napelem-rendszer működhet szigetüzemben, amikor nem csatlakozik a közüzemi villamos hálózathoz. • Ebben az esetben, amikor a termelés meghaladja a fogyasztást, a fogyasztó által a fel nem használt fölösleg egyenáramú akkumulátorban tárolódik. • Amikor a termelés nem éri el a fogyasztás mértékét, a különbözetet – feltöltöttsége függvényében – az akkumulátor pótolja. • Váltakozó áramú fogyasztás (pl. 1~ 230 V, 50 Hz) esetén a megtermelt és/vagy tárolt egyenáramot inverter segítségével a kívánt paraméterű váltakozó árammá kell alakítani. • Az akkumulátorok hátrányos tulajdonságai (magas ár, rövid élettartam, környezetkárosító hatás) a szigetüzem csak abban az esetben javasolt, ha a közüzemi hálózat nem áll rendelkezésre. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • A napelemek gyakorlati alkalmazása – hálózatra csatlakoztatott üzem: • A napelem-rendszer csatlakozhat a közüzemi villamos hálózathoz. • A fogyasztásmérő ebben az esetben mind a fogyasztás, mind a hálózatra visszatáplálás mennyiségét méri. Az elszámolás a különbözet alapján történik évente. • 50 kVA alatti teljesítményű rendszer a szolgáltató engedélyével – és a mérőeszköz megfelelő cseréjével – a hálózatra csatlakoztatható. • 50 kVA fölötti teljesítmény esetén a berendezés – a hatályos jogi szabályozás értelmében – kiserőmű besorolású, melyre szigorúbb elbírálási kritériumok vonatkoznak. • Hálózatra csatlakoztatott üzemben nincs szükség akkumulátorokra. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű előzményei – motor járatópad: • A Széchenyi István Egyetem Belső Égésű Motorok Tanszékén 2011ben helyezték üzembe a motor járató melegteszt-padot. • A tesztpad különböző algoritmusok alapján a belső égésű motorok közúti járművekben történő viselkedését szimulálja, miközben a motor leadott teljesítményét, nyomatékát, fordulatszámát, üzemanyag-fogyasztását, rezgését, kopását stb. folyamatosan mérik, és regisztrálják. • A motor hajtott tengelyén kinyert hasznos teljesítményt – mely a jármű mozgatására fordítódna – egy villamos gép alakítja – generátor üzemben – elektromos teljesítménnyé. A villamos gép felharmonikusokkal erősen szennyezett váltakozó áramot állít elő. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű előzményei – motor járatópad: • • • •

A motorjárató tesztpad (villamos gép) főbb paraméterei: Feszültség generátor üzemben: 380…480 V ± 10% Frekvencia: 50/60 Hz ± 1% Névleges teljesítmény generátor üzemben: 350 kW

• A felharmonikusokkal szennyezettség miatt a megtermelt villamos energia az előállított feszültségszinten nem használható fel. Fel kell transzformálni 10 kV-ra, majd vissza 0,4 kV-ra.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű előzményei – motor járatópad: • A tesztpad üzeme időben nem tervezhető, ezért az általa termelt energiát az Áramszolgáltató nem tudja átvenni. A fékpad üzeméhez azzal a feltétellel járult hozzá, ha az Egyetem hálózatából az Elosztói hálózat felé nem folyik energia. Ezt a feltételt a 10 kV-os elosztó mérőmezőjére telepített SEPAM készülék által biztosított VisszWatt védelemmel oldották meg. • A védelem az energiavételézés nullához közelítése esetén előjelzést ad a fékpad PUMA irányítórendszerének, majd a tendencia folytatódása esetén kioldást ad a fékpad inverterét megtápláló transzformátor leágazó megszakítójának.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű előzményei VisszWatt védelem: • Az Egyetem hálózatában működési prioritása van a fékpadnak. Ha az energiavételezés lecsökken, először a napelem egységeket kell lekapcsolni, csak utána lehet a fékpadot leállítani. Ennek megoldására egy ZELIO vezérlő került a rendszerbe, amely a VisszWatt védelem előjelzésére a kisebb egységektől kezdve a nagyobbakig sorban lekapcsolja a napelem telepeket, majd ha továbbra is szükséges, előjelzést ad a fékpadnak. A VisszWatt védelem kioldó jelére továbbra is kiold a fékpad invertert megtápláló transzformátor primer oldali megszakítója, illetve lekapcsolnak az inverterek csatlakozó szekrényei is. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű előzményei VisszWatt védelem: • A lekapcsolás után a vezérlés előre beállított pár perces várakozás után megpróbálja a csatlakozó szekrényeket visszakapcsolni a hálózatba. Amennyiben az Egyetem által használt energia meghaladja a megtermelt energia mennyiségét, a vezérlés automatikusan visszakapcsolja a csatlakozó szekrényeket. • Az inverterek a lekapcsolást feszültség kimaradásként értelmezik, és leválasztják a napelemeket a hálózatról. • Amennyiben vészeseti lekapcsolás történik (pl. tűz esetén), az inverterek szintén a feszültség eltűnését érzékelik és lekapcsolnak. Így a napelem rendszerek külön tűzvédelmi lekapcsolására nincs szükség. • A napelemek és inverterek közötti vezetékszakasz viszont feszültség alatt marad (380…700 V DC)!!! 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Torony homlokzat (INV1, INV2, INV3) • • • •

Szolár panel: Gyártó: SUN GEN Típus: SG-HN-GGLV 100W (amorf Si-panel) Max. teljesítmény (Pmax): 100 W

• • • •

Inverter: Gyártó: SMA Típus: SB3000HF-30 Max. DC-teljesítmény: 3000 W 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Épület árnyékoló (INV4, INV5) • • • •

Szolár panel: Gyártó: ET Típus: ET-P660240W/WB (polikristályos Si-panel) Max. Teljesítmény (Pmax): 240 W

• • • •

Inverter: Gyártó: SMA Típus: STP15000TL-10 Max. DC-teljesítmény: 15.000 W 2015. 04. 29


2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Labor tető (INV10) • • • •

Szolár panel: Gyártó: ET Típus: ET-P660240W/WB (polikristályos Si-panel; 14,75% hatásfok) Max. Teljesítmény (Pmax): 240 W

• • • •

Inverter: Gyártó: PowerOne Típus: 8 db TRIO-27,6-TL + 1 db PVI-10.0-I Max. DC-teljesítmény: 8×30 + 10 = 250 kW 2015. 04. 29


2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Inverterek elhelyezése csatlakoztatása kábelezése • A tanulmányi épületben telepített inverterek a tantermekben kerültek elhelyezésre, falra szerelten, a mennyezet alá szorítva. Az invertereket és a csatlakozó dobozokat gipszkarton nyitható, szellőző perforációval ellátott burkolat takarja. • Az inverterek az épület alagsorában lévő villamos kapcsoló helyiségben található FEA és FEC jelű főelosztó melletti EPVJ, illetve EPVB jelű gyűjtőszekrénybe csatlakoznak 5×10 mm2 NYYJ kábellel. • A laborépület tetején az inverterek a folyosó feletti mélyebb tetőrész oldalfalán helyezkednek el. Az inverterek kültéri kialakításúak (IP65), másodlagos védelemre nincs szükségük. Az inverter 2 db 4×240/50 mm2 AYCWY kábellel csatlakozik a laborépület 0,4 kV-os elosztóhelyiségében a főelosztóba. A főelosztóban 400 A-es megszakító biztosítja a leválasztást. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Inverter DC oldali kialakítása, stringek • INV1, INV2, IN3 inverterek: • Az inverterekre 48 db napelem kapcsolódik, azaz 14 string, stringenként 3 db napelem. A stringeket lezáró diódával és DC túlfeszültségvédelemmel szerelt HENSEL csatlakozódobozok fogják össze, melyek az inverter egyik bemenetére csatlakoznak. • INV4, INV5, inverterek: • Az inverterekre 70 db napelem kapcsolódik, az „A” bemeneten 3 string, stringenként 20 db napelem, a „B” bemeneten 1 string, 10 db napelem. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Inverter DC oldali kialakítása, stringek • Labor INV1-9 inverterek: • Az inverterekre 1040 db napelem kapcsolódik. A 30 kVA-es inverterek egyenként 125 db napelemet, a 10 kVA-es inverter 40 db napelemet fog össze. Az inverterekre a napelemek 6 stringen keresztül csatlakoznak. A 30kVA-es inverterek rendelkeznek beépített AC és DC oldali túlfeszültség-védelemmel, a 10 kVA-es inverter mindkét oldalát túlfeszültség-védelemmel szerelt HENSEL csatlakozódoboz védi. 2015. 04. 29


1. ábra: A laborépület tetején lévő napelemek kötési vázlata

2015. 04. 29


•

A stringeket 1×4mm2 Solarflex-X PV1-F szolárkábel fűzi fel. 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű beépített berendezései • Inverter kommunikáció • Az inverterek RS-485-ös közegen SMA-NET protokollal kommunikálnak. Az RS-485-ös kábel LI2YCYv 2x2x0,2-es árnyékolt, sodrott érpáras kábel. A kábel árnyékolt, zavarvédett, a kisfeszültségű kábelekkel közös csatornában vezetett. • Az EPVJ jelű csatlakozó szekrényben került elhelyezésre az SMA WebBox. A WebBox számára internetes végpontot (UTP Cat6 kábelen) áll rendelkezésre. • A rendszerrel lehetőség van a napelemes erőmű minden adatának és üzemállapotainak megjelenítésére. Megjeleníthető adatok pl.: napi, havi, éves termelési adatok a minimum és maximum értékekkel együtt. 2015. 04. 29


• A DC rendszer érintésvédelme. • A napelemek stringjein 5-10 A egyenáram folyik, és a két végpontja között az inverter csatlakozási pontjánál 380-700 VDC feszültség lép fel. A szabványoknak megfelelően e célra kizárólag kétszeres szigetelésű szolár kábel alkalmazható. A panelek egymáshoz csatlakoztatása valamint a stringek inverterhez való csatlakoztatása kizárólag az eredeti gyári szolár csatlakozókkal lehetséges. • Működő erőmű esetén a tetőn bármilyen munkavégzés csak erősáramú szakember felügyelete mellett végezhető.

2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű műszaki paraméterei • A termelő berendezés DC oldali teljesítménye: 331,8 kWP • Az inverterek AC oldali teljesítménye: 318 kVA • A létesítmény közcélú hálózatra csatlakozásának villamos jellemzői: • Üzemi feszültség: 10 kV, 3F, 11.000 V, 50 Hz • Érintésvédelem: Nullázás • A létesítmény belső hálózatának villamos jellemzői: • Üzemi feszültség: 3F + N, 400/230V, 50 Hz • Érintésvédelem: TN-S 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • SZE napelemes kiserőmű műszaki paraméterei • A termelő berendezés létesítmény belső hálózatára csatlakozásának villamos jellemzői: • Üzemi feszültség: 3F + N, 400/230 V, 50 Hz • Érintésvédelem: TN-S • Létesítmény csatlakozási teljesítménye (10 kV) • L1 160 A 1014,6 kVA • L2 160 A 1014,6 kVA • L3 160 A 1014,6 kVA • Termelő berendezés teljesítmény (0,4 kV): • L1 478,91 A 110,15 kVA • L2 478,91 A 110,15 kVA • L3 478,91 A 110,15 kVA 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű • Források: • Széchenyi István Egyetem sajtóközleménye – 2014. május 20. • Internet • www.csokavar.hu

• KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! 2015. 04. 29

Széchenyi István Egyetem napelemes kiserőmű

Recommend Documents