Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. Kóra István okl. villamosmérnök, MEE tag

Átírás

1 Kóra István okl. villamosmérnök, MEE tag 1

2 Globális energetikai nehézségek Merülő fosszilis energiahordozók Környezetvédelmi problémák Merülő fosszilis energiahordozók Megújuló energiák felhasználásának szükségessége Passzív és aktív napenergia hasznosítás Építészeti kialakítások pl. tömegfal, Aktív napenergia hasznosítás termikus - fotovoltaikus 2

3 Fotovoltaikus napenergia hasznosítása o napsugárzás spektruma Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. ideális (Planck törvénye szerint) valóságos 3

4 Fotovoltaikus napenergia hasznosítása o időbeli és térbeli eloszlása nappályának hatása 4

5 o nappályának hatása (Milankovics ciklusok szerint) 5

6 időbeli és térbeli eloszlása nappályának hatása 6

7 Magyarország globális besugárzási térképe Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. Évi átlagos besugárzás 1250 kwh/m 2 év Az ország területére ez TWh ill. 419 EJ/ év Ez több mint szerese az éves villamosenergia felhasználásnak ill. kb. 350-szerese az ország primer energia felhasználásának 7

8 Rövid történeti visszatekintés Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. A mai napelemek ősét egy véletlen indította útjára az 1860-as években. Willoughby Smith Kristályos szelénnel való kísérletei nyomán. Az első igazi napelemet Charles Fritts készítette New Yorkban: egy táblán szelén réteget vékony és félig átlátszó aranyfilmmel vont be 1885-ben, ami folyamatosan tudott áramot termelni. Fritts elképzelése volt, hogy "egy napon még a fotovoltaikus áramtermelés versenyre kelhet a széntüzelésű elektromos erőművekkel" - amiből az elsőt egyébként Thomas Edison építette alig három évvel korábban. Az 1950-es évek elején az amerikai Bell Laboratories-ban Calvin Fuller és Gerald Pearson folytatott kísérleteket szilícium tranzisztorokkal februárjára Chapin először szelénnel próbálkozott, amivel már az 1800-as évek végén értek el eredményeket. Az első elkészült napelem 0,5%-os hatásfokú volt. Ekkor jutottak el a felismerésre, hogy szelén helyett szilíciummal próbálkozzon. És igaza volt: a második napelem a Bell Labs mérései szerint már 2,3%-os hatásfokot produkáltak. Darry Chapin meglátta ebben a lehetőséget, és első számításai szerint elméletileg akár 23%-ra is képes lehet a szilícium. Bell április 25-én mutatta be a nagyközönségnek napelemeit, kivívva a washingtoni Nemzeti Akadémia elismerését is. A New York Times első oldalon számolt be az eredményről, és egy új korszak kezdetéről írtak, ami "elvezethet az emberiség egyik legfontosabb álmához, a Nap végtelen energiájának használatához a civilizáció szolgálatában". Ezzel kezdődött napelemek karrierje. 8

9 Fotovoltaikus napelem működésének alapja A félvezető kristályra eső fotonok gerjeszthetik a kristály vegyérték-elektronjait. Amennyiben ez a gerjesztés elég erős ahhoz, hogy az elektronok a következő, megengedett magasabb energiaszintre (vagyis a vezetési sávba) kerüljenek, akkor a gerjesztés az egyensúlyi koncentrációkhoz képest megemeli a mozgékony töltések sűrűségét. Energetikai feltétele az, hogy a beeső foton energiája nagyobb legyen, mint a tiltott energiasáv szélessége. Ekkor a nap és a félvezető kristály közötti létre jön az energiatranszport, mely úgy is értelmezhető, mint csatolás a nap feszínén gerjesztett állapotban levő atomok és a kristályrács között. A félvezető felületét elérő fotonok egy része vissza is verődhet, illetve kölcsönhatás nélkül áthaladhat az anyagon. Másrészt viszont olyan fotonok is elnyelődhetnek a félvezetőben, amelyek energiája nem elegendő a tiltott sáv áthidalásához. Ezek energiája a kristályrács hőmérsékletét növeli, ez a hatékonyságot csökkenti. 9

10 Mai napelemek fajtái o szilícium alapú kristályos, Technológia: vákumpárologtatás v. porlasztásos struktúra: mono vagy polikristályos hatásfok: (jelenleg) max % 10

11 o Amorf vékonyréteg, nagyhatásfokú napelemek Hordozóréteg: üveglap műanyag fólia Hatásfok: alacsony 11

12 Napelemek anyagai, felépítése: Edzett üveg EVA fólia Cellák EVA fóliatedlar Struktúra: Cellák jellemző mérete egy 156 mm oldalhosszúságú négyzet, ónozott vezetőkkel sorosan összefűzve. Mára jellemzően 3 párhuzamos (busz) vezeték a jellemző, előnye nagyobb biztonság. 12

13 Napcella jellemzőik: Jellemzők hőmérséklet függésének hatásai: o növekvő cellahőmérséklet csökkenő feszültség o növekvő cellahőmérséklet növekvő áram o eredménye csökkenő teljesítmény 13

14 Napelem jellemzőik: Jellemzők: o lineáris teljesítmény csökkenés a besugárzás függvényében - 14

15 o Szilícium napelemek típusok Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. Szilicium Szilicium Szilicium Monokristályos Polykristályos Amorf vékonyfilm 15

16 o Tipikus szilícium napelem típusok jellemzői Névleges teljesítmény Wp Munkaponti feszültség V Munkaponti áram 7,5 8,5 A Üresjárási feszültség 36 39,5 V Rövidzárási áram 8,3 9,0 A Modul hatásfok 14,2 16 % Maximális rendszerfeszültség 1000V Hőmérsékleti koefficiensek: Üresjárási feszültségnél Rövidzárási áramnál Teljesítménynél - 0,32 %/K 0,065 %/K - 0,427 %/K Méretezést befolyásoló tényezők! 16

17 Behatások következményei, villamos paramétereik változásának okai időjárás PID hatás (Potencial Induced Degradation) időjárás anyagkifáradásos alapú buszvezeték szakadás, cellatörések, csatlakozó hibák modulteljesítmény csökkenés, végzetes hibák Német Szövetségi Környezetvédelmi Minisztérium Fraunhofer Institute kutatásai 17

18 Villamosenergia törvény (VET) szerepe a megújuló energia termelésében Létrehívta és meghatározta: A villamos energiáról szóló évi LXXXVI. törvény (VET), valamint az annak végrehajtásáról szóló 273/2007. (X. 19.) Korm. rendelet (VET Vhr.) 2008-tól vezette be a HMKE fogalmát. Átvételi kötelezettség járul a megújuló energiából nyert termelt villamos energiához A fenti jogszabályoknak megfelelően (figyelembe véve a MEKH által jóváhagyott Elosztói Szabályzatban foglaltakat is) HMKE-nek minősül az a villamosenergia-termelő berendezés, amelyre az alábbiak (egyidejűleg) jellemzők Alapvetően azzal a céllal hívták életre, hogy olyan erőművek valósuljanak meg, melyeknek nem elsősorban a hálózatra történő visszatermelés a célja. A HMKE közcélú elosztóhálózat kapcsolata: A HMKE csatlakoztatása csak az adott területen működési engedéllyel rendelkező elosztói engedélyes hozzájárulásával lehetséges. Előzetes nyilatkozatok: A felhasználónak nyilatkozni kell a termelés jellegéről, következménye a Villamos energia Kereskedői Szerződésben, az elszámolásban jelentős hatású történik-e hálózati betáplálás 18

19 Háztartási méretű kiserőmű (HMKE) 1. Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. Egyfázisú termelő egység általában 2,5 kva-ig csatlakoztatható a kisfeszültségű hálózatra, 5 kva felett csak 3 fázisú csatlakoztatás a megengedett. Amennyiben a felhasználó egyfázisú ellátással rendelkezik, és a hálózathasználati szerződésben szereplő kismegszakító érték megengedi, több egyfázisú HMKE is csatlakoztatható, de ezek össz névleges teljesítménye legfeljebb 5 kva lehet. A 2,5 és 5 kva névleges teljesítményű termelő egységek egyfázisú csatlakoztatását az elosztói engedélyes az üzletszabályzatában rögzítettek szerint, az elosztóhálózati paraméterek figyelembevételével, az igénybejelentésre adott műszaki gazdasági tájékoztatóban írt feltételekkel engedélyezheti. 19

20 HMKE-vel termelt villamos energia mérése és elszámolása A HMKE megléte (telepítése) esetén a villamosenergia-forgalom mérése speciális elektronikus fogyasztásmérővel ( advesz mérő ) valósul meg, amelyből negyedórás bontásban irányonként kiolvasható az elszámolási időszak (év vagy hónap) szerint összegezve a vételezett, illetve a hálózatba betáplált villamos energia mennyisége. A közcélú hálózatból vételezett és a hálózatba betáplált a fogyasztásmérő által rögzített energiamennyiségeknek az adott elszámolási időszakra történő összegzését követően a két összegzett mennyiségből képzett szaldó, valamint az aktuális egységárak (jelenleg a villamos energia egyetemes szolgáltatás árképzéséről szóló 4/2011. (I. 31.) NFM rendelet és a villamos energia rendszerhasználati díjakról és alkalmazásuk szabályairól szóló 4/2013. (X. 16.) MEKH rendelet) figyelembevételével végzik el a szolgáltatók az elszámolást. A szaldóképzés csak a forgalomarányos (kwh alapú) díjak után fizetendő összegeket érinti, a nem forgalomarányos (éves) díjak ettől függetlenül kerülnek elszámolásra. A hálózatból vételezett és a hálózatba visszatáplált energia egymáshoz viszonyított nagysága alapján az elszámolási időszakra vonatkozóan az alábbi számlázási esetek állhatnak elő: 1. A vételezések összegzett mennyisége meghaladja a közcélú hálózatba betáplált mennyiségek összegét. Ebben az esetben a kettő különbözete alapján kell megfizetni a forgalomarányos díjakat. 2. A vételezések összegzett mennyisége megegyezik a közcélú hálózatba betáplált mennyiségek összegével. Ebben a speciális esetben a szaldóképzés eredménye nulla, így csak a nem forgalomarányos díjak kerülnek elszámolásra. 3. A vételezések összegzett mennyisége kisebb a közcélú hálózatba betáplált mennyiségek összegénél. Ebben az esetben a villamosenergia-kereskedő/egyetemes szolgáltató részéről első lépésben csak a nem forgalomarányos díjak kerülnek elszámolásra. 20

21 Háztartási méretű erőművek méretezése, várható villamos termelés becslése 21

24 inverterek kialakítása, jellemzői Fotovoltaikus megújuló energiatermelés, HMKE 1. PV inverter funkciói: A PV modul feszültségének, áramának mérése a maximális teljesítményű munkapontban tudja működtetni a rendszert, A hálózati feszültség, áram, teljesítmény és frekvencia mérése (1 v. 3 fázison) az inverter a feszültség és frekvencia csökkenése és növekedése révén beavatkozhasson, leállíthassa a napelem hálózatba termelését. A hálózati csatlakozás felügyelete a nem kívánt sziget üzemet elkerülhessük (anti-islanding), sziget üzem érzékelése, ami után a szolgáltatói hálózatról lekapcsolódik az inverter A kimeneti áram teljesítménytényezőjének tartása cosφ=1-et tart általa A kimeneti áram harmonikus tartalmának (THD) kontrollja a hálózatba táplált áram megfelelő mértékű harmonikus torzítási érték alatt tartása. A kimeneti áram egyenáram tartalmának az ellenőrzése 24

25 inverterek megfelelősége A HMKE erőműben alkalmazandó inverterek elosztói engedélyesek hálózatán történő alkalmazásához a berendezésnek meg kell felelnie a következő szabványoknak: o MSZ-EN o MSZ-EN o MSZ-EN o IEC (Az MSZ-EN szabványok változatlan átvételei az adott számú IEC és EN szabványoknak.) A HMKE erőművekben alkalmazható inverterek az elosztói engedélyesek honlapján helyezett listáján szerepelniük kell. 25

26 Napelemek elhelyezésének kérdései, árnyékhatás, telepítés helyének kiválasztása A PV inverterek abban az esetben képesek optimális hatásfokon működni, ha a kapcsolt sztringeken ugyanolyan feltételek mellett üzemelnek: soha sem szabad olyan modulokat egy sztringbe kötni, amelyek különböző dőlésű tartószerkezeten vannak felszerelve, eltérő az irányszögük vagy különbözőek villamos jellemzőik. Amennyiben ezek a feltételek nem tarthatók, bizonyos esetekben segítséget jelent, ha több bemenetű MTTP-s invertert alkalmazunk. ahol az árnyék hatások elkerülhetetlenek, ezeket a sztringekek külön bemenetre kell szervezni. A részleges árnyékolás leggyakoribb esete a földfelszíni tárgyakból fakadó vetett árnyék, mely ráadásul napi periodicitással jelentkezik, így éves szinten nagy hatása lehet. Az ilyen árnyékok leggyakoribb okai fák, villanyoszlopok és környező épületek lehetnek, háztetőre szerelt rendszerek esetén pedig akár a tető kinyúló részei is árnyékot vethetnek a napelemekre. annak ellenére, hogy modulok el vannak látva áthidaló (bypass) diódákkal, de az optimálistól eltérő körülmények esetén, amikor még nem kapcsolnak be még a bypass diódák, a részleges a leárnyékolás s ilyenkor azokat a modulokat lehúzza, ezzel együtt az egész sztring teljesítményét is. 26

27 Háztartási méretű erőmű o HMKE méretezési teljesítményének meghatározása éves átlagos fogyasztás alapján o helyszín kiválasztása o napelemek, tartószerkezet kiválasztása o inverterek kiválasztása Ügyeljünk arra, hogy maradjunk a kb. 80%-os maximum 110%-os leterhelési aránynál (válasszunk általában a 90-95%-osat, így meghosszabbítjuk az inverter üzemidejét). A napelemek generátorteljesítményét (T=25 C; E=1.000 W/m²) csak néha érjük el az évben. A maximális modul- ill. generátorteljesítményt tavasszal és télen érhetjük el optimális felállítás esetében. Amikor alacsonyak a külső hőmérsékletek, úgy még túl is léphetik a névleges teljesítményt, de ez tényleg ritka (ezért is legyen csak 90-95%-osra az inverter teljesítmény beállítva!). o villamos mérőhely, főelosztó, tűzvédelmi leválasztás o villám és túlfeszültség elleni védekezés o HMKE dokumentálása, rendszerbe kapcsolása 27

28 Ingyenes inverter- és rendszerkonfigurációk: Egy pár ismertebb gyártó különböző nyelvű linkjei: (Figyelem: néhány gyártónál be kell először (ingyenesen) regisztrálni!) SMA. Sunny-Design V2.3. Sunny-Design V1.09. GenAu_7-451 Kábelszámítások DC-AC V1.3. Fronius Fronius Kaco Mastervolt Siel-Siac Online kalkulátor Szigetüzemű PV-generátor (Excel-szoftver) Solar.configurator V Kacocalc Pro V Syscalc (Excel-szoftver) Configurator V10.0. (Excel-szoftver) Steca StecaGrid Configurator V3.0. StecaGrid Configurator V4.0. DIEHL-Alko Siemens Solarmax Offline kalkulátor PLATINUM SolarConfig V Sinvert-Select MaxDesign V Sunway Sundim, V5.29. (Excel-szoftver) Power-one Aurora Designer PVGIS Online kalkulátor PVGIS-Europa obális besugárzás, irányító szám szerinti adatbázis 28

29 Kóra István 29