A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai
A napenergiában rejlő potenciál A Napból a Föld felszínére sugárzott energia: 8 10 8 TWh/év Az elsődleges energiafelhasználás a világon: 1 10 5 TWh/év Vagyis napenergia útján 8000-szer több energia érkezik a Földre, mint a teljes energiaigény.
A napenergia felhasználás lehetőségei sugárzás rendszer (hatásfok) hasznos energia Napsugárzás elnyelő Mivé alakítja Energiafajta fekete fém hő hőenergia növény biomassza kémiai energia fotovillamos cella elektromosság villamos energia napkollektor hő hőenergia Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Besugárzás intenzitás [Wm -2 ] Napelem technológiák A napsugárzás légkörön kívüli és a földfelszíni spektruma ultraibolya látható infravörös Spektrum AM 0 Spektrum AM 1,5 nagy energiájú fotonok kis energiájú fotonok Hullámhossz [ m] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Napsugárzás Levegő tömeg (Air Mass - AM): Ha a napsugarak merőlegesen érkeznek a Föld felszínére, a fénysugaraknak csak egyszer kell áthaladniuk a légkörön. Ezt az esetet jelöljük AM 1-el. Minden más esetben a fénysugarak útja a légkörön át hosszabb. Az úthossz a Nap magasságától (a fénysugarak beesési szögétől) függ. Például az AM 2 azt jelenti, hogy a fénysugár útja a légkörön át kétszerese az AM 1 értékhez tartozó útnak. Ez az eset akkor áll elő, ha a Nap 30º -os szöget zár be a horizonttal. Definíció: AM = 1 / sin(b)
A napsugár útja a légkörön át visszaverődés visszavert sugárzás (albedo) direkt sugárzás diffúz (szórt) sugárzás Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Sugárzás intenzitás különböző időjárási körülmények között égbolt időjárás tiszta kék ég párás/felhős, a Nap fehéressárgás korong borult ég, globál sugárzás 600 1000 Wm -2 200 400 Wm -2 50 150 Wm -2 diffúz sugárzás aránya 10 20 % 20 80 % 80 100 % Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Éves napenergia besugárzás különböző helyszíneken Helyszín Éves energia besugárzás [kwhm -2 ] Szahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, Dél-Németország 1200 Hamburg, Észak-Németország 1000
átlagos napi globál sugárzás [Wh/m 2 d] Napelem technológiák Besugárzottság Khartoumban és Freiburgban (összehasonlítás) 9000 8000 7000 6000 5000 Freiburg, Németzország Khartoum, Szudán 4000 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
átlagos napi globál sugárzás [kwh/m 2 ] Napelem technológiák A direkt, diffúz és globál sugárzás éves megoszlása Freiburg, Németország 7 6 5 direkt 4 3 diffúz 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Napsugárzás Standard teszt feltételek: (STC = Standard Test Conditions): Azon feltételek, amelyek mellett az eszközt tesztelik. Besugárzás: 1000 Wm -2 Cella hőmérséklet: 25 C Levegő tömeg: AM 1,5
és jellemzőik
Kristályos szilícium napelem keresztmetszete negatív elektróda n-típusú szennyezés pozitív elektróda p-n határfelület p-típusú szennyezés Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Cella áram [A] Napelem technológiák Napelem áram - feszültség (I-V) karakterisztikája megvilágítás esetén I SC I Cella feszültség [V] V OC V Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Napelem áram [A] Kimenő teljesítmény [ W] Napelem technológiák Napelem teljesítmény a munkapont függvényében STC: T = 25 C AM = 1,5 E = 1000 W/m 2 3.5 3.0 I MPP 2.5 Maximális teljesítmény pont (MPP) I SC 1.4 P MPP 1.2 1.0 2.0 0.8 A 1.5 0.6 V 1.0 0.4 0.5 0.2 MPP = Maximum Power Point 0 V OC 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Napelem feszültség [V] V MPP Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Üresjárati feszültség [V] Rövidzárási áram [A] Napelem technológiák Üresjárati feszültség (V OC ) és a rövidzárási áram (I SC ) a besugárzás (beeső teljesítménysűrűség) függvényében 0.6 3 0.5 V OC 0.4 I SC 2 0.3 0.2 1 0.1 0 200 400 600 800 1000 Besugárzás [W/m 2 ] 0 Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Modul áram [A] Napelem technológiák Kristályos szilícium modul I-V görbéi különböző besugárzások esetén állandó napelem hőmérsékletnél 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 5 10 15 20 25 Modul feszültség [V] V MPP tartomány Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Modul áram [A] Napelem technológiák Kristályos szilícium modul I-V görbéi különböző napelem hőmérsékletek esetén állandó besugárzásnál 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 10 20 30 40 Modul feszültség [V] MPP feszültség tartomány Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Napelem áram [A] Kitöltési tényező definíciója Napelem technológiák 3.5 3.0 I MPP I SC A terület MPP 2.5 B terület 2.0 1.5 1.0 Fläche B B terület Füllfaktor kitöltési FF tényező = ------- Fläche A A terület 0.5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Napelem feszültség [V] V MPP V OC Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Napelemek gyártásához használt anyagok Napelem típusok osztályozása Az alapanyag és a forma / (kristály-) struktúra alapján egykristályos Szilícium kristályos amorf + µc politikristályos Si vékony réteg CdTe Réz származékok CIS Napelem Összetett félvezetők III - V csoport GaAs, InP, stb. Egyéb rézpiritek GaAs Fényérzékeny festék InP Más elvek Szerves szerkezetek Egyebek Egyebek
Vékonyréteg napelemek monolitikus integrálása háromlépéses szeparációs technikával 1. cella 2. cella hátsó kontaktus aktív réteg TCO 1. vágás: TCO 2. vágás: aktív réteg 3. vágás: hátsó kontaktus üveg hordozófelület 300 Image: PSE, Freiburg, Germany
Három határréteges amorf szilícium (a-si) napelem keresztmetszet Mindegyik cella egy megadott spektrum tartományra érzékeny rövid hullámhosszú fény közepes hullámhosszú fény hosszú hullámhosszú fény TCO p kékre érzékeny cella i n p zöldre érzékeny cella i n p pirosra érzékeny cella i n visszaverő réteg hordozóanyag Graphik: Solarpraxis Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Relatív intenzitás Napelem technológiák Három különböző anyagú, három határréteges napelem spektrális érzékenysége 1.0 0.8 három határréteges napelem spektrális érzékenysége 0.6 0.4 kék érzékeny cella zöld érzékeny cella vörös érzékeny cella 0.2 0 300 400 500 600 700 800 900 Hullámhossz [nm] Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
A különböző napelem technológiák piaci megoszlása az évek során Fotovillamos cella forgalom a használt technológia alapján A teljes forgalom százalékában 100% 80% Si-szalag vékony réteg 60% polikristályos-si Si-szalag 40% 20% Cz-Si 0% 1980 1985 1990 1995 2000 Image: PSE, Freiburg, Germany
Fotovillamos modulok és generátorok
Napelem áram [A] Napelem technológiák Három sorba kapcsolt, azonos (10 x 10 cm) méretű napelem I-V (áram-feszültség) görbéje A 3 ISC V 2 1 UOC 2 UOC 3 UOC 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Napelem feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Napelem polaritás-váltás és napelem túlmelegedés részleges árnyékolás miatt hő Z1 Z2 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36 + I - - + R Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Fotovillamos cella forró pont -tal Forró pont Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Árnyékolt napelemek védelme áthidaló diódákkal I I Z1 Z2 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36 I I + R I - Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
A modul hátoldalán lévő vízhatlan csatlakozódoboz a csatlakozókkal és az áthidaló diódákkal áthidaló diódák Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Modul áram [A] Napelem technológiák Részben árnyékolt 36 cellás modul I-V görbéje áthidaló diódákkal és anélkül 3.5 3 2.5 Árnyékolás nélkül 2 1.5 1 Egy napelem 75 %-os árnyékolással egy áthidaló dióda 18 cellánként 0.5 Egy napelem 75 %-os árnyékolással áthidaló diódák nélkül 0 5 10 15 20 Modul feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Hordozható I-V görbe meghatározó, (PV-Engineering, Németország) Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Napelem áram [A] Napelem technológiák Három párhuzamosan kapcsolt, azonos, 10 x 10 cm méretű napelem I-V görbéje 9 8 3 ISC 7 6 5 2 ISC 4 V 3 2 ISC A 1 VOC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Napelem feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Generátor áram [A] Párhuzamosan kapcsolt füzérek száma PV modulok kombinált soros és párhuzamos kapcsolása Napelem technológiák Sorosan kapcsolt modulok száma A megfelelő I-V görbék 3 ISC 2 ISC 1 2 3 3 ISC 2 UOC 2 UOC 3 UOC 1 Generátor feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Kristályos napelemek soros kapcsolása réz összekötő szalagokkal Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
Szabvány modulok keretezése alumínium keret vízzáró szélrögzítő üveg (vas mentes) EVA napelemek hátsó kompozit fólia Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország
IEC 61 215 / 61 646 teszt eljárások (ISPRA-test) Illusztráció: Solarpraxis - A laminálás, a keretezés és a csatlakozások vizuális ellenőrzése - A névleges teljesítmény meghatározása - A hőmérsékleti együtthatók meghatározása (V, I, P) - Hosszú távú forró pont (hot-spot) vizsgálat - Villamos szigetelés és nedvesség-szivárgás-áram teszt - Statikus terhelés teszt - Csavarási teszt - Jégeső teszt 25 mm-es jéglabdákkal 23 m/s sebességgel - Hő ciklus teszt - Nedves-hő teszt - Nedvesség fagyási teszt
Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói Szent
Hálózat független energiaellátás Hálózat kapcsolt rendszer Fogyasztói alkalmazások Ipari alkalmazások Hálózattól távoli települések Elosztott Központi beltéri kültéri számológépek töltő készülékek telekommunikácó villamos világítók magán házak tetői közüzemi energiaellátó villamos mérlegek órák villamos szerszámok szökőkutak zseblámpák kerti fények közlekedési jelzések távközlés kijelzők navigációs fények háztartási szolár rendszerek települési energiaellátás akkumulátor töltés oktatás/ iskolák homlokzatba integrálás osztatlan közös tulajdon zajvédő fal mobil telefonok házszám világítás katódos védelem táv felügyelet víztisztítás öntözés autó szellőztetés hegyi éttermek/hotelek utcai világítás csónakok oltóanyag hűtés iskolák Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Fotovillamos rendszer elvi felépítése egy készülék vagy kisfogyasztó energia ellátására töltés szabályozó PV generátor feszültség szabályozó DC fogyasztó tároló akkumulátor Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Napenergiás tejszínhabverő Fotó: Solarc, Berlin, Németország
Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású házszám világítás Fotó: LiSol, Deizisau, Németország
Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású segélyhívó telefon és információs rendszer Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású mikrohullámú átjátszó-adó az USA délnyugati részén Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású, jegesedésre figyelmeztető közúti jelzés Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózat független, lakossági alkalmazás Háztartási szolár rendszer (fotovillamos energiaellátású lakóépület) Zanskarban, India Fotó: R. Brender, Badenweiler, Németország
Hálózat független, lakossági alkalmazás Háztartási szolár rendszer (fotovillamos energiaellátású lakóépület) Boquillas del Carmen, Mexikó Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Energiatároló nélküli fotovillamos rendszer elvi felépítése PV generátor (napelemek) Feszültség szabályzó Fogyasztó Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Napenergiás számológép Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Elektronikus háztartási mérleg fotovillamos energiaellátással Fotó: Soehnle-Waagen GmbH + Co. KG, Murrhardt, Németország
Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Fotovillamos energiaellátású szökőkút Freiburg, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Váltóáram kimenetű fotovillamos rendszer elvi felépítése töltés szabályozó PV generátor (napelemek) inverter házban kiépített hálózat tároló akkumulátor Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Fotovillamos energiaellátású ház, USA Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Fotovillamos és generátoros hibrid energiaellátó rendszer elvi felépítése PV generátor (napelemek) töltés szabályozó akkumulátor inverter ház villamos hálózat belsőégésű motorral hajtott generátor akkumulátor töltő Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Menedékház napelemes energiaellátással és belsőégésű motorral hajtott generátorral; Freiburger Huette, Ausztriai Alpok Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Fotovillamos, szélturbinás és generátoros hibrid energiaellátó rendszer elvi felépítése PV generátor töltés szabályozó szélturbina akkumulátor töltő akkumulátor inverter ház villamos hálózat motorral hajtott generátor akkumulátor töltő Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Rotwand House menedékház napelemekkel, belsőégésű motorral hajtott generátorral és szélturbinával, Német Alpok Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Autonóm energiaellátó Napelem rendszer technológiák napelemekkel és hosszú idejű hidrogéntároló rendszerrel PV generátor (napelemek) töltés szabályozó inverter ház villamos hálózat akkumulátor tüzelőanyag cella töltés szabályozó hidrogén tároló rendszer elektrolizáló Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Ház villamos hálózatára dolgozó, kisméretű, elosztott fotovillamos rendszer ház villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter energia betáplálás a villamos hálózatba energia fogyasztás villamos hálózat Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Közvetlenül a közüzemi villamos hálózatra dolgozó, kisméretű, elosztott fotovillamos rendszer ház villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter energia betáplálás a villamos hálózatba energia fogyasztás villamos hálózat Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Elosztott, hálózatra, kapcsolt fotovillamos rendszerek Családi ház Kirchzarten, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Elosztott, hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek Napelem technológiák Központi pályaudvar Freiburg, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű elvi felépítése villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű (Freiburg) Vásári, kiállító épület tetőszerkezetére telepített fotovillamos modulok; Freiburg, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű Az RWE fotovillamos erőműve Neurath Lake, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Elosztott villamos energia Napelem termelésen technológiák alapuló jövőbeli energiaellátó rendszer elvi felépítése atomerőmű nagyméretű vízerőmű széntüzelésű erőmű nagy feszültségű hálózat középfeszültségű hálózat Kisfeszültségű hálózat PV ház villamos hálózat ház villamos hálózat szélenergia nagy méretű PV generátor (napelem) tüzelőanyag cella akkumulátor PV generátor (napelem) CHP (kombinált hő- és villamos energia termelő egység) Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország
Tudás teszt: - Melyek a standard teszt körülmények (STC) a napelemek méréséhez? - Nő-e a napelem hatásfoka a napelem hőmérséklettel? - Mi az oka a több-határréteges napelemek létrehozásának? - Mi jellemezhető egy napelem kitöltési tényezőjével?
Tudás teszt: - Miért kell kerülni a PV modulok részleges árnyékolását? - Miért használják az áthidaló diódákat? - Mi a forró pont? - Mit jelent az ISPRA-Test? Illusztráció: Solarpraxis