Hűtött amorf szilícium napelem teljesítmény többlethozamának vizsgálata A napenergia, a napelemek és a hűtés jelentősége 463

Átírás

1 Zsiborács Henrik 1 Pályi Béla 2 Hegedűsné Baranyai Nóra 3 Pintér Gábor 4 Farkas István 5 Hűtött amorf szilícium napelem teljesítmény többlethozamának vizsgálata Performance-temperature study of the cooled amorphous silicon solar module ifj.zsiboracs.henrik@gmail.com 1 PE Georgikon Kar, PhD hallgató 2 PE Georgikon Kar, egyetemi docens 3 PE Georgikon Kar, egyetemi docens 4 PE Georgikon Kar, adjunktus 5 SZIE, egyetemi tanár A napenergia, a napelemek és a hűtés jelentősége A legtöbb természeti folyamatnak a napenergia képezi az alapját, amely bőséges, tiszta, és mindenütt rendelkezésre álló energiát biztosít napjainkban, és az elkövetkező évmilliárdok során. A fotovillamos napenergia-hasznosítás eszköze a napelem, amely a napsugárzás energiáját alakítja át villamos energiává. A napenergia alapú energiatermelés a fenntartható energiagazdálkodáshoz jelentős mértékben képes hozzájárulni számos egyéb előnye mellett. A napelemek segítségével több évtizeden keresztül CO 2- és egyéb károsanyagkibocsátás, valamint hulladéktermelés nélkül termelhetünk ingyen zöld energiát (Hosenuzzaman M. et al., 2015, Aman M.M. et al. 2015). Az utóbbi időszakról elmondható, hogy a napelemek használatát rohamos fejlődés jellemezte, főleg a csökkenő költségeknek, a gyors technológiai fejlődésnek illetve számos országban bevezetett állami támogatásnak köszönhetően, melyek közül Európában Németországnak van kiemelkedő szerepe. Napjainkban mérséklődik a rendszeralkotók gyártási költsége és így a fogyasztói ára is, amely a beruházás megtérülési idejének csökkenését eredményezi. A REN21 (2015) adatai szerint 2009-ben 23 GW volt a napelemes rendszerek összes beépített teljesítménye, 2014-re a kapacitás 177 GW teljesítményre bővült (REN21, 2015; IEA, 2014). A napelemek által megtermelhető energia mennyisége elsősorban az adott modul típusától és összetételétől, valamint a telepítési és az aktuális természeti tényezők együttes hatásától függ. A forgalomban lévő monokristályos és polikristályos napelemeknél 25,6% ± 0,5% valamint 20,8% ± 0,6% közötti hatásfokkal is találkozhatunk, piaci részesedésük globálisan a megbízhatóságuk miatt 85-90% (Green M.A. et al., 2015, IEA, 2014, Cosme I. et al., 2015, Panasonic Corporation. 2014, Verlinden P., et al., 2014). A vékonyrétegű napelemek egyik fajtája az amorf szilícium napelem, amelynél 10,2% ± 0,3% közötti hatásfok is jellemző. A globális piaci részesedésük nehezen körülhatárolható, az összes vékonyrétegű napelem részesedése 10-15% körüli (Green M.A. et al., 2015, IEA, 2014, Matsui T. et al., 2013). A napelemek esetében egyik fontos tényező a napi hőmérséklet és a globálsugárzás változásából adódó hőmérséklet-ingadozás (Skoplaki-Palyvos, 2009). Melegebb napokon a magyarországi éghajlati adottságok következtében a napelem hőmérséklete akár a C hőmérsékletet is elérheti. A napelem melegedéséből adódóan energiatermelése csökken, melyre megoldást kínálnak a különböző hűtési technológiák (Chandrasekar et 463

2 al., 2015). Bahaidarah et al. (2013) és Zaoui et al. (2015) szerint a fotovillamos rendszerek teljesítménye erősen függ az üzemelési hőmérséklettől. Chandrasekar et al. (2015) szerint a hűtési technikáknak négy csoportját különböztethetjük meg, nevezetesen a levegő-alapú, a víz-alapú, a hőcserélős/hűtőközeges (Ji et al., 2008) és a hő-alapú kategóriákat. Kutatásaink során olyan hűtési módot vizsgáltunk meg, amely a párolgás hűtőenergiáját használja ki, mivel a víz jelentős hőmennyiség leadására képes. Célunk volt kialakítani egy olyan permetezős hűtőrendszert, ami egyrészt elfolyó vízveszteség nélkül üzemel, másrészt csak a víz párolgáshőjéből adódó hűtőhatásra és az ebből következő hatásfoknövekedés-teljesítménymaximum meghatározására fókuszál. Elmondható, hogy a vízzel történő permetezés során a párolgás jelenségének hatására jelentősen csökken az üzemelési modulhőmérséklet egy azonos körülmények között üzemelő, hűtés nélküli napelem modulhoz képest (Abdolzadeh-Ameri, 2009). A hőmérséklet-hatásfok, így a hőmérséklet-teljesítmény között lineáris a változás (Skoplaki-Palyvos, 2009). A globálsugárzás változása szoros kapcsolatban van a hőmérsékletváltozással. A napelemek teljesítményét árnyékmentes, ideális körülmények között döntően két tényező, a globálsugárzás és a hőmérséklet befolyásolja (Skoplaki-Palyvos, 2009). Skoplaki et al. (2009) szerint a modulhőmérséklet 1 o C emelkedése esetén általánosságban 0,2-0,3%, míg Chandrasekar et al. (2015) szerint 0,21 % hatásfokveszteség jelentkezik az amorf szilícium napelemeknél. A mérőhely bemutatása Kutatásaink során olyan aktív hűtési módot vizsgáltunk meg, amely a párolgás hűtőenergiáját használja ki. A hűtés nélkül használt amorf szilícium napelemekhez képest értékeltük a kapott eredményeket műszaki és statisztikai szempontból egyaránt. Jelen kísérletben valós időjárási körülmények között hűtés nélküli és hűtött amorf szilícium napelem modulokat vizsgáltunk 2015-ben 8 ideális augusztusi nyári napon, különböző kísérleti szempontok alapján, azonos mérési helyszínen (1. táblázat, 1. ábra): 464

3 A: Földön rögzített állványra kitelepített új kontroll napelem modul, hűtés nélkül. B: Földön rögzített állványra kitelepített, permetezőfej segítségével hűthető új napelem modul (Zsiborács et al., 2016). 1. táblázat. A vizsgált amorf szilícium napelemek paraméterei Jellemzők Amorf szilícium napelem Származási ország Gyártó/Forgalmazó Modell Japán Kaneka G-EA050 Névleges teljesítmény (P m) (W) 50 Teljesítmény tolerancia (%) ±10% Névleges feszültség (V mp) (V) 67 Névleges áram (I mp) (A) 0.75 Üresjárati feszültség (V oc) (V) 91.8 Rövidzárási áram (I sc) (A) 1.19 Modul mérete (mm):(sz x Ma x Mé) 960x990x40 465

4 1. ábra: A vizsgált napelemek mérőhelye Keszthelyen (Zsiborács et al., 2015) A kísérletek során a napelemek mérése folyamatosan történt PicoLog mérésadatgyűjtők segítségével. A rendszer hűtését egy, a napelem felületi hőmérsékletét érzékelő termosztát vezérelte. A permetező víz mennyiségének csökkentése érdekében a permetezőfejek szakaszosan, impulzusszerűen működtekt. A szakaszossággal sikerült minimalizálni a felhasznált víz mennyiségét és csak a párolgáshoz szükséges víz került kipermetezésre (Zsiborács et al., 2015). A következő technikai-környezeti paraméterek kerültek meghatározásra (2. ábra): feszültségek és áramerősségek (Voltcraft VC607 professzionális multimétert használtunk, mely a mérések előtt ellenőrizve lett egy LT1021 feszültségreferenciával (10,000V ± 5mV), levegő nedvességtartalom (HYTE-ANA-1735), globálsugárzás (Eppley Black and White Model 4-48 pyranométer, Országos Meterológiai Szolgálat által hitelesített), szélsebesség (JL-FS2, 4-20mA, 3 kanalas alumínium eszköz), napelemek hőmérséklete (kalibrált Pt 100 érzékelők) (Zsiborács et al., 2016). 466

5 2. ábra. A keszthelyi mérőhelyen lévő pyranométer, szélsebességmérő, valamint levegő nedvességtartalom mérő műszerek (Zsiborács et al., 2016) A napelemek esetében a maximális energiapont tartására (MPPT, Maximum Power Point Tracking) több megoldás is létezik, aminek segítségével magasabb hatásfokot illetve energiahozamot érhetünk el. A mérések során egy oszcillációs elven működő, ún. Valódi Maximális Pont Kereső (True Maximum Point Seeking, TMPS) műterhelést alkalmaztunk. 467

6 A feszültség és az áramerősség szorzatának (azaz a pillanatnyi teljesítménynek) a legnagyobb értéken tartásával a napelem maximális energiapontban működött. Így kiküszöbölhető volt a hatásfokváltozásból (a beeső sugárzási teljesítmény és a hőmérséklet változása) származtatható mérési hiba a napelemeknél. Ezáltal adatokat kaptunk a napelem adattábláján szereplő névleges munkaponti feszültségtől való eltérésekre is. A feszültség- és áramerősség-jeleket a mérésadatgyűjtő bemenetére vezettük. Így egyszerre láthattuk a napelemek hőmérsékletét és a teljesítményét. A napelemek hűtéséhez szükséges vízellátás a mérési ponton lévő hidroforról történt, kerti ásott kútból, szűrt talajvízzel, vízlágyítás után. A mérőrendszer sematikus ábráját a 3. ábra szemlélteti (Zsiborács et al., 2015). 3. ábra: Sematikus ábra a napelemek mérőhelyéről (Zsiborács et al., 2015) 468

7 A teljesítmény-hőmérséklet jellemzőinek bemutatása A kutatásban használt szórófejeknél azt tapasztaltuk, hogy az ideális beállítást (közel homogén permetezett felület) az amorf szilícium napelemek esetében 3 db alkalmazásával értük el 2 bar nyomáson. Hosszanti irányban a szórófejek távolsága egymáshoz képest 26 cm, hatótávolságuk cm között változott az időjárás függvényében. A kipermetezett vízmennyiség meghatározásához szórófejenként 4-4 ismétlést végeztünk el, amit egy KERN PLS 510-3A digitális mérleggel mértünk meg. A modul felületére mintegy 0,5 másodpercig történt 1 fújás. A méréseket átlagolva az amorf szilícium napelemnél 0,00766 kg (7,66 ml) víz került kipermetezésre egy fújás alkalmával. Az adott órában meghatározásra került a hűtés hatására megjelent átlagos teljesítmény többlet, illetve a hozzá kapcsolódó relatív szórás (CV%). Vizsgálatunkban megengedhetőnek tartottuk az átlag elfogadását közepes differenciáltság (CV%=10-20) mellett az időjárás változékonysága miatt. A permetezőrendszer használata során jelentkezett mérési átlagadatokat a 2. táblázat tartalmazza. A 2. táblázat jól szemlélteti a szakaszos permetezés módszerrel az adott órában elért teljesítmény többletet és hőmérséklet csökkenést nyári időszakban. 2. táblázat: Amorf szilícium napelem modul jellemzői hűtés során nyári időszakban Idő intervallum Átlagos Levegő hőmérséklet globálsugárzás Átlagos szélsebesség Levegő nedvességtartalom Permetezett modul átlagos hőmérséklet csökkenése Hűtés hatására megjelent teljesítmény többlet Teljesítmény változása a permetezett modul hőmérsékletének 1 C-os csökkenése esetén (h) (W/m2) (m/s) ( C) % ( C) (%) (%) , ,3 2,6 0, ,2 27, ,7 4 0, ,1 30, ,5 3,4 0, , ,4 4,1 0, ,7 0,4 32,9 35,8 17,4 4,8 0, ,2 32,6 36,4 15,1 3,3 0, ,4 37,8 15,1 3,6 0, ,5 28,3 37,5 12,4 3 0,24 Átlag 0,27 CV (%) 15,5 469

8 Eredmények összegzése Vizsgálataink során megegyező típusú és teljesítményű, 50 W-os hűtés nélküli és permetezéses megoldással hűtött amorf szilícium napelemek összehasonlító vizsgálataira került sor műszaki és statisztikai szempontból, kültéri, valós időjárási körülmények között 2015 nyarán, azonos mérőponton. Kutatásai eredményeink Chandrasekar et al. (2015) adatait közelítik, valamint Skoplaki-Palyvos (2009) adatait megerősítik, mivel a vizsgált amorf szilícium napelem esetében átlagosan 0,27% teljesítményjavulást tudtunk kimutatni a permetezett modul 1 C-os hőmérsékletcsökkenése esetén. További kutatási célunk, hogy a hűtőrendszer éves használhatósága meghatározásra kerüljön hazai, valamint nemzetközi viszonyokra. Ezen felül ökonómiai szempontból is elemezni kívánjuk az eredményeket. Irodalomjegyzék 1. Abdolzadeh, M. Ameri, M. (2009): Improving the effectiveness of a photovoltaic water pumping system by spraying water over the front of photovoltaic cells. Renewable Energy, 34(1), p. 2. Aman, M.M. Solangi, K.H. Hossain, M.S Badarudin, A. Jasmon, G.B. Mokhlis, H. Bakar, A.H.A. Kazi S.N. (2015): A review of Safety, Health and Environmental (SHE) issues of solar energy system. Renewable and Sustainable Energy Reviews, p. 3. Bahaidarah, H. Subhan, A. Gandhidasan, P. Rehman, S. (2013): Performance evaluation of a PV (photovoltaic) module by back surface water cooling for hot climatic conditions. Energy, 59, p. 4. Chandrasekar, M. Rajkumar, S. Valavan, D. (2015): A review on the thermal regulation techniques for non integrated flat PV modules mounted on building top. Energy Buildings 86, p. 5. Cosme, I. Cariou, R. Chen, W. Foldyna, M. Boukhicha, R. Cabarrocas, P.R.I. Lee, K.D. Trornpoukis, C. Depauw, V. (2015): Lifetime assessment in crystalline silicon: From nanopatterned wafer to ultra-thin crystalline films for solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells,135, p. 6. Energy Policy Network for the 21st Century (REN21). (2015): RENEWABLES 2015 GLOBAL STATUS REPORT p. (elérve: ) 7. Green, M.A. Emery, K. Hishikawa, Y. Warta, W. Dunlop, E.D. (2015): Solar cell efficiency Tables (Version 45). Progress in Photovoltaics, 23(1), 1-9. p. 8. Hosenuzzaman, M. Rahim, N.A. Selvaraj, J. Hasanuzzaman, M. Malek, A.B.M.A. Nahar, A. (2015): Global prospects. progress. policies. and environmental impact of solar photovoltaic power generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41, p. 9. International Energy Agency (IEA). (2014): Technology Roadmap. Solar Photovoltaic Energy, p. rgy_2014edition.pdf (elérve: ) 470

9 10. Ji, J. Pei, G. Chow, T.T. Liu, K. He, H. Lu, J. Han, C. (2008): Experimental study of photovoltaic solar assisted heat pump system. Solar Energy, 82, p. 11. Matsui, T. Sai, H. Suezaki, T. Matsumoto, M. Saito K. Yoshida, I. Kondo, M. (2013): Development of highly Stable and efficient amorphous silicon based solar cells. 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference, p. 12. Panasonic Corporation. (2014): Panasonic HIT Solar Cell Achieves World s Highest Energy Conversion Efficiency of 25.6% at Research Level (elérve: ) 13. Skoplaki, E. Palyvos, J.A. (2009): Operating temperature of photovoltaic modules: A survey of pertinent correlations. Renewable Energy, 34(1), p. 14. Skoplaki, E. Palyvos, J.A. (2009): On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations. Solar Energy, 83(5), p. 15. Verlinden, P. Deng, W. Zhang, X. Yang, Y. Xu, J. Shu, Y. Quan, P. Sheng, J. Zhang, S. Bao, J. (2014): Strategy, development and mass production of high-efficiency crystalline Si PV modules. 6th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 1-4 p. 16. Zaoui, F. Titaouine, A. Becherif, M. Emziane, M. Aboubou, A. (2015). A Combined Experimental and Simulation Study on the Effects of Irradiance and Temperature on Photovoltaic Modules. Energy Procedia, 75, p. 17. Zsiborács, H. Pályi, B. Baranyai, H.N. Farkas, I. Pintér, G. (2016). Energy performance of the cooled amorphous silicon photovoltaic (PV) technology. Időjárás, Quarterly Journal of the Hungarian Meteorological Service, megjelenés alatt 18. Zsiborács, H. Pályi, B. Pintér, G. (2015): Permetezett monokristályos napelemek vizsgálata. LVII. Georgikon Napok, p. 471