Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék Villamosmérnöki szak Villamos energetikai szakirány Háztartási méretű kiserőművek hálózati visszahatásának vizsgálata Szakdolgozat Kovács Zoltán GC5MIX 2015
Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Kovács Zoltán (neptun kód: GC5MIX) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Háztartási méretű kiserőművek hálózati visszahatásának vizsgálata című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül. Miskolc, 2014. november 19. Kovács Zoltán 2
Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén) Alulírott (név), mint (beosztás) igazolom, hogy (hallgató neve), (neptun kód: ), szakos hallgató a(z) (cégnév) -nél készített komplex feladatában/ szakdolgozatában/ diplomamunkájában 1 a saját munka terjedelmi részaránya minimum %, és a dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek. Miskolc, dátum (hallgató név) (külső témavezető név) (beosztás) 3
Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék...4 1 Bevezetés...5 2 Háztartási méretű kiserőművek...8 2.1 Erőművek...8 2.2 Háztartási méretű kiserőmű jogszabályi keretek...9 2.3 HMKE-k csoportosítása... 10 3 Háztartási méretű kiserőművek hálózatra csatlakoztatása... 13 3.1 Védelmek... 13 4 Napelemes termelő berendezés... 16 4.1 A Nap mint energiaforrás... 16 4.2 A napelemes termelő egység részei... 19 5 Háztartási méretű kiserőművek hálózati hatásai... 25 5.1 Kisfeszültségű hálózat alapjai... 25 5.2 HMKE hatása a kisfeszültségű hálózat feszültségviszonyaira... 26 6 Mintahálózati számpélda... 29 6.1 Mintahálózat felépítése... 29 6.2 Mintahálózat számításai HMKE termelések nélküli... 32 6.3 Mintahálózat számításai HMKE termelésekkel... 34 6.4 Mintahálózat számítási értékeinek bemutatása... 35 7 Regiszteres mérések és eredményeik... 39 7.1 Mérés előkészítése... 39 7.2 A mérés időszaka... 42 7.3 Egy mérés kiértékelése... 42 8 Következtetések... 46 9 Összefoglaló... 48 10 Summary... 50 11 Köszönetnyilvánítás... 52 12 Irodalomjegyzék... 53 13 Mellékletek... 54 4
1 Bevezetés A háztartási méretű kiserőművek népszerűsége töretlenül nő, napjainkban egyre többen döntenek ezek telepítése mellett. Ennek több oka is lehet. Egyrészt ezek a megújuló energiaforrásokon alapuló berendezések nem terhelik, illetve fogyasztják a környezet értékeit, így környezetvédelemi szempontból használatuk roppant előnyös. Másrészt a beruházást követően a berendezés minimális költséggel üzemeltethető, a jelenlegi megtérülési idővel, és az eszközök élettartamával számolva a megtermelt energia a fogyasztónak kb. feleannyiba kerül, mintha a villamos energiarendszerből vásárolná. A 2007-ben megjelent villamos energiáról szóló LXXXVI törvény új erőmű kategóriát vezetett be, a háztartási méretű kiserőművet. A háztartási méretű kiserőművekben termelt villamos energia elszámolására egyszerű villamos energiaszaldót, az elszámolási időszakban a szaldóképzés után maradó, hálózatra adott többletenergiára pedig a villamos energiakereskedőknek átvételi kötelezettséget írt elő. A szaldóelszámolás a termelés időbeli egyenetlensége alapján a kiserőmű tulajdonosa számára előnyös, mert pl. éves elszámolás esetén a teljes éves termelés kerül szembeállításra a teljes éves fogyasztással (a nyáron megtermelt energiát, így télen is felhasználhatja). A telepített háztartási méretű kiserőművek zöme napelemes berendezés, ezek speciális, de jól modellezhető termelési jellemzőkkel rendelkeznek. A telepítés célja az éves villamos energiaigény részbeni, vagy teljes megtermelése. A termelés egyenetlensége, és a helyben illetve a közvetlen környezetben jelentkező fogyasztások ingadozása miatt, a termelő berendezés hálózati hatásának, vagyis feszültségemelésének mértéke is folyamatosan változik. A napelemes berendezés a szükséges villamos energiát napközben és az év napos időszakaiban termeli meg. A termelés és a fogyasztás nem fedi egymást. A többletenergia betáplálása a csatlakozási ponton és a közcélú hálózaton a feszültséget emeli. Az esti csúcsidőszak a napelemes berendezések már nem termelnek, vagy termelésük minimális a hálózaton a terhelés feszültségesést hoz létre. Napelemes rendszerek nélkül a transzformátor induló feszéltségének emelésével biztosítják a legnagyobb terhelésű állapotban a szabványos feszültséget. A napelemes rendszerek napközben a kisebb terhelési állapotban a rendszer feszültségét megemelik. 5
MW A hálózatok méretezésénél már nemcsak a feszültségesést, hanem a termelő berendezések feszültségemelését is figyelembe kell venni. Mivel egyre több az ilyen erőmű, ezért e problémák elemzése egyre fontosabb és időszerűbb feladat. Háztartási méretű kiserőművek (db) [ 1 ] Napenergia 2008 2009 2010 2011 2012 2013 E.ON Észak-Dunántúl 9 25 58 154 431 1 023 E.ON Dél-Dunántúl 8 16 39 111 288 745 E.ON Tiszántúl 6 14 25 87 284 785 ELMŰ 74 89 122 168 467 1 255 ÉMÁSZ 9 12 22 38 143 417 EDF-DÉMÁSZ 1 9 26 71 269 630 Összesen: 107 165 292 629 1 882 4 855 1. táblázat Háztartási méretű kiserőművek darabszáma Háztartási méretű kiserőművek (kw) [ 2 ] Napenergia 2008 2009 2010 2011 2012 2013 E.ON Észak-Dunántúl 21 71 170 762 2 575 6 275 E.ON Dél-Dunántúl 20 39 142 495 1 841 4 620 E.ON Tiszántúl 11 49 92 567 2 619 6 426 ELMŰ 282 245 418 535 1 919 5 844 ÉMÁSZ 19 39 72 149 810 2 624 EDF-DÉMÁSZ 10 24 97 375 2 761 5 421 Összesen: 363 465 992 2 883 12 525 31 210 2. táblázat Háztartási méretű kiserőművek beépített kapacitása 35 30 25 20 15 10 Háztartási méretű kiserőművek beépített teljesítménye 12,53 31,21 5 0 2,88 0,36 0,47 0,99 2008 2009 2010 2011 2012 2013 1. ábra Háztartási méretű kiserőművek terjedése 6
Szakdolgozatomban először a háztartási méretű kiserőművek jellegzetes típusait fogom bemutatni. Ezek után a termelők hálózatra csatlakoztatásáról, majd a napelemes termelő berendezés főbb részeiről, valamint a napenergia hasznosítás alapjairól szeretnék képet adni. Az érdemi részt a kisfeszültségű hálózat bemutatásával, a termelő berendezés által keltett hatások leírásával kezdem. A hatásokat először egy mintahálózat számpéldáján szemléltetem, végül valós regiszteres mérésék eredményeit fogom értékelni. A szakdolgozattal az a célom, hogy bemutassam a háztartási méretű kiserőművek hálózatra gyakorolt hatását, és következtetésként néhány megoldást javasoljak ennek csökkentésére. 7
2 Háztartási méretű kiserőművek 2.1 Erőművek Mióta felfedezték a villamos energiát, azóta egyre jobban növekszik az ezen alapuló gépek, berendezések, technológiák száma, aránya. Az évtizedek során egyre növekvő energiaigény kielégítésére világszerte erőműveket hoztak létre. Ezekben elsősorban az adott földrajzi területre jellemző fosszilis primer energiahordozókat kezdték felhasználni. Ezek közül hármat fontos kiemelni, ezek a szén, a földgáz és a kőolaj. Mivel ezek sok területen nem álltak rendelkezésre, az erőmű üzemeltetése drága volt és sok káros anyag kibocsájtással járt, így létrejöttek a hasadó anyaggal működő atomerőművek. Ennek a hátramaradó veszélyes hulladékai viszont sok gondot, veszélyt okoznak. Az ásványi energiahordozók legnagyobb hibája viszont nem is a környezeti szennyezés, hanem hogy a rendelkezésre álló mennyiség véges. Ezért, illetve a fenntartható fejlődés miatt kezdtek el a megújuló energiaforrások irányába fordulni. A víz, a szél és a nap energiája korlátlan mennyiségben áll a rendelkezésünkre, a technológiák költsége folyamatosan csökken, így megfelelő mennyiségű megújuló energiapotenciál esetén célszerű erre alapozni az energiatermelést. 2. ábra Példa a nap-, víz és szélerőművekre Az itt létrehozott technológiák lettek az alapjai később a kisebb, egy háztartásnak megfelelő méretűvé alakított háztartási méretű kiserőműveknek. 8
2.2 Háztartási méretű kiserőmű jogszabályi keretek A 2007-ben megjelent villamos energiáról szóló LXXXVI törvény új erőmű kategóriát vezetett be, a háztartási méretű kiserőművet, későbbiekben HMKE. A HMKE főbb ismérvei: közcélú kisfeszültségű hálózathoz, illetve kisfeszültségű magán- vagy összekötő vezeték hálózatra csatlakozik erőművi névleges teljesítőképessége nem haladja meg a felhasználó rendelkezésre álló teljesítményének mértékét, maximum 50 kva erőművi névleges teljesítőképességű. Ahhoz, hogy HMKE-t létesíthessünk, igénybejelentést kell benyújtani az elosztói engedélyesnek, mert a termelő kapacitás közcélú hálózathoz csatlakozik. A HMKE hálózatra csatlakoztatásának folyamata az alábbi: 3 Ügyfél: HMKE igénybejelentő nyomtatvány benyújtása Elosztó: Tájékoztatás a HMKE csatlakozásának műszaki feltételéről Ügyfél: Csatlakozási dokumentáció, termelői nyilatkozat, üzemeltetési megállapodás benyújtása Elosztó: Csatlakozási dokumentáció elbírálása, létesítés engedélyezése Ügyfél: Termelő berendezés kialakítása, készre jelentése Elosztó: Kétirányú mérő felszerelése/mérőprogramozás, üzembe helyezés, Hálózat használati szerződés módosítása HMKE csatlakozatása történhet egy- illetve háromfázisú hálózatra is. Egy fázisra csatlakozó termelő berendezés esetén a megengedett maximális teljesítmény 5 kva akkor is, ha a felhasználónak az adott fázison nagyobb a rendelkezésre álló teljesítménye. Háromfázisú csatlakozás esetén rendelkezésre álló teljesítmény nagyságáig (de max. 50 kva) létesíthető HMKE. A megtermelt valamint felhasznált energia mérése a csatlakozási ponton történik egy kétirányú mérőberendezéssel. Ez a mérő külön regiszterben méri a felhasznált és leadott energia mennyiségét, háromfázisú mérés esetén a mérés mindkét irányban fázisonként történik így minden esetben pontos lesz a termelt és vételezett értékek regisztrálása. Az elszámolás a mért adatok alapján történik a szerződésben rögzített éves vagy havi villamos energiatermelés- és fogyasztás szaldója alapján. 9
2.3 HMKE-k csoportosítása A háztartási méretű kiserőműveket alapvetően kétféleképpen tudjuk csoportosítani. Az első csoportosítás a hálózathoz való viszonyuk alapján történik: Szigetüzemű erőmű: Szigetüzemről akkor beszélünk, ha a termelő berendezés nem csatlakozik a kisfeszültségű elosztóhálózathoz, hanem a megtermelt energiát akkumulátorban tároljuk el. Ezekből az akkumulátorokból a későbbiekben a fogyasztóinkat elláthatjuk 12 vagy 24 V egyenfeszültséggel, de szükség esetén inverter segítségével 230 V váltakozó feszültséget is elő tudunk állítani és üzemeltetni a szükséges berendezéseket. Ezt a módszert elsősorban olyan helyen célszerű alkalmazni, ahol nincs lehetőség közcélú hálózatra csatlakozni. 3. ábra Napelemes szigetüzemű termelő berendezés elvi vázlata 10
Hálózati visszatáplálású erőmű: Ebben az esetben a megtermelt villamos energiát inverterek segítségével a közcélú hálózat feszültségjellemzőinek megfelelő váltakozó feszültséggé alakítjuk, a termelt energiát helyben felhasználhatjuk, de akár a közcélú hálózatra is adhatjuk. A közcélú hálózat feszültségének eltűnése esetén az inverter lekapcsol, szigetüzemre alkalmatlan. 4. ábra Napelemes hálózatra visszatápláló berendezés elvi vázlata A HMKE-k másik csoportosítási módja az energia forrása szerint történhet. 1,23% 97,22% 2,78% 0,20% 0,95% 0,27% 0,12% Napenergia Szélenergia Vízenergia Biogáz Földgáz Egyéb 5. ábra A HMKE-k energiaforrásuk szerinti megoszlása 4 Napelemes termelő berendezés: Jól látható, hogy a háztartások nagy részében napelemes berendezések találhatóak, ennek okai, hogy egyrészt a földrajzi viszonyokat 11
nézve ez a leghatékonyabban alkalmazható, egyszerű felépítésű, mozgó alkatrészt nem tartalmaz, nagy üzembiztonságú gyakorlatilag karbantartást nem igénylő, az ára pedig jelentősen lecsökkent. Szélturbinás termelő berendezés: Ez a HMKE egy tartószerkezetre szerelt függőleges, vagy vízszintes tengelyű szélturbinából, ezzel összekötött váltakozó- vagy egyenáramot termelő generátorból, valamint váltakozó áram esetén gerjesztés szabályzóból, egyenáram esetén inverterből áll. A berendezés nagy hátránya a napelemes HMKE-vel szemben, hogy nem statikus, mozgó alkatrészeket tartalmaz, tervezése kivitelezése bonyolultabb, karbantartási igénye magasabb. Az általa szolgáltatott energia az előzetes szélmérések alapján jósolható. Vízturbinás termelő berendezés: Elemei a szintkülönbség biztosító gátrendszer, függőleges vagy vízszintes turbina, egyen- vagy váltóáramú generátor, valamint a szélturbinás berendezéshez hasonlóan inverter vagy gerjesztés szabályzó. Ez a berendezés értelemszerűen nagy esésű vizek mentén lehet hatásos. Előzetes villamos energiabecslés a vízhozamból és az esésmagasságból készíthető. Motorhajtású termelő berendezés: Ez a rendszer belső vagy külsőégésű motorból, egyen- vagy váltakozó áramú generátorból és egyenáram esetén inverterből áll össze. A generátor által szolgáltatott villamos energia a befektetett energia csupán 30-50%-a, vagyis a hatásfoka rossz, viszont ha a veszteséghőt felhasználjuk, akkor összhatásfok akár a 90%-ot is elérheti. A napelemes termelő berendezés később a negyedik fejezetben külön tárgyalásra kerül, mert a későbbiekben ennek hálózati hatásaival fogok foglalkozni. 12
3 Háztartási méretű kiserőművek hálózatra csatlakoztatása HMKE csatlakoztatása esetén sok szabályt kell betartani, illetve sok védelmet kell biztosítani. A szabályok közé tartozik a csatlakoztatható teljesítmény korlátozása is. Ezek szerint egy fázison 5 kva, három fázison a rendelkezésre álló teljesítmény (max. 50 kva) lehet a csatlakoztatott teljesítmény. Az 5 kva-es korlátozás elosztói előírás, ugyanis az egyfázisú termelő berendezés a fázis- és a nullavezetőn is létrehozza a feszültségemelést (az 5 kva-es egyfázisú berendezés hálózati hatása megegyezik a 30 kva-es háromfázisú berendezéssel). Kiserőművi 5 kva névleges teljesítménynél célszerű lenne, ha az inverter alkalmas lenne keresztirányú feszültségszabályozásra cos kapacitív =0,8, cos induktív =0,8 fázistolás között. A jelenleg forgalomban lévő inverterek alkalmatlanok feszültségszabályozásra, a termelt áram fázishelyzete általában cos =1. 3.1 Védelmek Komplex védelmi rendszerrel kell biztosítani a kezelő, a saját belső hálózat és a közcélú villamos hálózat biztonságát. A védelmi rendszer részei: HMKE érintésvédelme: A termelő berendezés érintésvédelménél a gyártó által javasolt, valamint a közcélú hálózatra a csatlakozási ponton megkövetelt előírásokat kell betartanunk. Forgógépes áramátalakító: A termelő védelmét ebben az esetben a fogyasztó hálózatának saját lekapcsolási védelméhez kell illeszteni. Inverteres berendezés: Mivel az inverter egyenáramú bemeneti feszültsége meghaladja a törpefeszültséget, ezért a DC oldalon általában kettős szigetelést használunk védelemre. Az alkalmazott kábeleket, csatlakozásokat ennek megfelelően kell kiválasztanunk. Az inverter egyenáramú oldalán kétsarkú szakaszolókapcsolót kell beépítenünk (Ez általában az inverterben már beépítésre kerül). Az inverterre figyelmeztető feliratot (Lásd 6. ábra) kell elhelyeznünk, hogy szakaszolókapcsoló lekapcsolása esetén is a DC oldal feszültség alatt állhat. 13
6. ábra DC oldali figyelmeztető felirat Az inverter váltakozó áramú oldalát a hálózat önálló lekacsolását ellátó védelméhez kell illesztenünk. Itt is leválasztó kapcsolót kell elhelyeznünk. Áramvédő kapcsoló használata esetén figyelembe kell vennünk az esetleg kialakuló egyenáramú komponenst. Védő egyen potenciálra hozó vezetőt a villámáram által indukált túlfeszültségek minimalizálása érdekében az egyenés váltakozó áramú kábelekkel párhuzamosan, azok közelében kell elhelyeznünk. HMKE túlfeszültségvédelme: Az elosztói szabályzatban foglaltak szerint minden esetben kötelező komplex túlfeszültségvédelmet kialakítani. A kialakított védelmet az épület villámvédelme határozza meg: Villámvédelem nélkül az inverter egyen- és váltakozó áramú oldalán is 2. típusú túlfeszültségvédelmi készüléket kell elhelyeznünk Villámvédelmi szabványnak megfelelő (MSZ EN 62305), a veszélyes megközelítés figyelembevételével kialakított rendszer esetén az inverter egyenáramú oldalán az előzőhöz hasonlóan 2. típusú túlfeszültségvédelmi készüléket kell elhelyeznünk. A váltakozó áramú oldalon legcélszerűbb egy kombinált 1. és 2. típusú védelmi készülék alkalmazása. Villámvédelemmel rendelkező, de a villámvédelmi szabvány (MSZ EN 62305) által előírt veszélyes megközelítési távolság betartása nélkül kialakított rendszer esetén az inverter egyenáramú oldalán 1. típusú túlfeszültségvédelmi készüléket kell használnunk. A váltakozó áramú oldalon legcélszerűbb egy kombinált 1. és 2. típusú védelmi berendezést alkalmazni. A közcélú hálózat minőségi paramétereit biztosító védelmek: A HMKE-nak a hálózat felé az alábbi biztonsági paramétereket kell betartania: nem táplálhat a közcélú hálózati zárlatra 1,1In-nél nagyobb áramot nem maradhat a közcélú elosztóhálózattal szigetüzemben nem okozhat megengedettnél nagyobb feszültségváltozást nem okozhat a szabványban előírttól eltérő feszültséget 14
nem okozhat zavaró mértékű aszimmetriát, harmonikus torzítást, villogást nem táplálhat a közcélú hálózatra a KIF/KÖF transzformátort aszimmetrikus gerjesztési állapotba juttató egyenáramú komponenst A feltételek biztosítása érdekében az alábbi védelmekről kell minimálisan gondoskodni: rövidzárlati védelem túlterhelési védelem feszültségnövekedési védelem feszültségcsökkenési védelem frekvencianövekedési védelem frekvenciacsökkenési védelem elosztóhálózati-szigetüzem elleni védelem földzárlati/testzárlati védelem áramütés elleni védelem egyenáramú védelem 15
4 Napelemes termelő berendezés Mivel a napelemes termelő berendezés a legelterjedtebb hazánkban, ezért ennek bemutatása, valamint alapjaiban a napenergia külön fejezetben kerül bemutatásra. 4.1 A Nap mint energiaforrás A megújuló energiaforrások közül a nap nevezhető a legstabilabbnak, mivel a vízzel szemben mindenhol rendelkezésre áll, a széllel szemben jól kiszámítható módon, a napos óráknak megfelelően kalkulálható a termelés. A Nap sugárzásának az intenzitása közvetlenül a Napnál 70000-80000 kw/m². Ennek a föld légköréig csak a töredéke jut el, átlagosan 1370 W/m², ezt szokás napállandónak is nevezni. A Föld légkörén való áthatoláskor ennek további részei vesznek el, így körülbelül 1000 W/m² energia áll rendelkezésünkre. Ha a Napból a föld légköréhez érkező energiát 100%-nak tekintjük, akkor ennek a Föld légkörét elérő napsugárzásnak 23%-át a légköri gázok elnyelik és hővé alakítják át, míg a másik 26%-át a légkör visszaveri. Tehát a földfelszínre összesen 51%-nyi napsugárzás jut el, amiből csak 33%-a közvetlen sugárzás és 18% szórt sugárzás. A földfelszínt elérve a napsugárzás 10%-a visszaverődik, és itt is 5% elnyelődik, a megmaradó 5% a világűrbe távozik. Ezt a százalékos eloszlást a 7. ábra illusztrálja 7. ábra A napsugárzás energiájának eloszlása 16
A Napból érkező napsugárzásnak a földfelszínt elérve csak 49%-a lesz hasznos, ami a szórt és a direkt sugárzásból áll. Ezen szórt és direkt napfény évi eloszlását szemlélteti a 8. ábra. 8. ábra Szórt és direkt sugárzás Az ábrából látható, hogy nyáron, ezen belül is júniusban legintenzívebb a napsugárzás. Magyarországon a legtöbb besugárzás a Tiszántúl déli területein tapasztalhatunk, viszonylag nagyobb még a sugárzás a Dunántúlon illetve az Alföld déli vidékein. Legkevesebb besugárzásban a nyugati határsáv és az Északi-középhegység térsége részesül. Ezt a 9. ábra illusztrálja. A besugárzás területi eloszlását két tényező határozza meg: a földrajzi szélesség, valamint a felhőzet mennyisége. 9. ábra Magyarország globálsugárzása (Az ábrán látható MJ/ m² egységet szokás a napsugárzás estében megadni. Ezt egy egyszerű számítással át tudjuk váltani kwh/m²-be. Ennek az egyenlete: 1 kwh/m²/nap = 3,6 MJ/m²/nap) 17
Emellett korábbi mérések és tapasztalatok alapján azt is tudjuk, hogy mennyi a termelés éves és napi bontásban. Ezeket az adatokat prezentálja a 10. és 11. ábra: 100% 80% 60% 40% 20% 10. ábra Éves termelés (havi bontásban) 0% 100% Január Március Május Július Szeptember November 75% 50% 25% 0% 1 6 11 16 21 Augusztus December 11. Ábra Napi termelés (évszak függvényében) Az éves termelési diagram és a napsugárzási diagram összevetésből látszik, hogy nem teljesen, csak részben függ a napsugárzás mértékétől a létrejövő energia. Ennek oka a napelemek hőmérsékleti együtthatója, magas hőmérsékleten csökken a termelt teljesítmény (0,4-0,5 %/K) 18
A napi termelési diagramról az olvasható hogy legnagyobb energia a déli órákban termelődik, de természetesen ezt befolyásolja a napelemek tájolása. Az esti órákban, mind a beesési szög csökkenése, mind a napelemek tájolása miatt a termelés csökken. Ha a napelemek összeláncolt feszültsége nem éri el az inverter működéséhez szükséges küszöbértéket, az inverter lekapcsol. A napelemes termelés évszak-, tájolás-, dőlésszögés hőmérsékletfüggő. 4.2 A napelemes termelő egység részei A napelemes termelő berendezés szerkezetileg 5 elkülönülő részre tagolható. Napelem, a DC oldali csatlakozódoboz, az inverter, az AC oldali csatlakozó doboz valamint a hálózati csatlakozási pont (ezt illusztrálja a 12. ábra). 12. ábra Napelemes HMKE részegységei. 19
Napelem: A napelem egy olyan eszköz, amelynek segítségével a nap sugárzását elektromos árammá alakíthatjuk át a fényelektromos jelenség segítségével. A napelem teljesítménye függ annak típusától, a méretétől, a sugárzás intenzitásától és a sugárzott fény hullámhosszától, valamint annak beesési szögétől. A szolár cellák két fajta anyagot tartalmaznak, ezeket szoktuk p-típusú és n-típusú félvezetőknek nevezni. Bizonyos hullámhosszú fény képes a félvezető atomjainak ionizációjára, ezáltal a beeső fotonok többlet töltéshordozókat hoznak létre. A pozitív töltéshordozók (lyukak) a p-rétegben, míg a negatív töltéshordozók (elektronok) az n- rétegben lesznek többségben. A két ellentétes réteg töltéshordozói habár vonzzák egymást, csak egy külső áramkörön keresztül haladva képesek rekombinálódni, a köztük lévő potenciál lépcső miatt. Egy fotoelektromos cella leadott teljesítménye négy dologtól függ: A cella mérete és típusa A cella elhelyezése A fény intenzitása A fény hullámhossza Mivel a cella mérete és elhelyezése telepítés után állandó, valamint a fény hullámhossza sem szokott általában változni, így a leadott teljesítmény szinte egyenesen arányos a fény intenzitásával. Fontos még, hogy a cellák feszültsége nem függ annak méretétől és a fény intenzitásától, így a leadott áramerősség lesz arányban ezekkel. A szolár cellák különböző méretűek és formájúak lehetnek, a felhasználási területnek megfelelően. A kisebb bélyeg méretűektől egészen a néhány 10 centiméteresig. A cellák összekapcsolásával szolár modulokat kapunk. Ezekből a modulokból állítják elő a felhasználó számára a szolár rendszert. Ezek mérete függ a napsugárzás mennyiségétől, az elhelyezéstől és a felhasználói igényektől. A cella elhelyezésétől sok minden múlik, egy jól beállított egység majdnem kétszer akkora hatásfokkal tud üzemelni, mint egy helytelenül beállított. A beállítási hatékonyságokat a 13. és 14. ábra szemlélteti. Ebből látszik, hogy a legoptimálisabb elhelyezés a déli tájolású és 40-45 dőlésszögben telepített rendszer. 20
100% 90% 80% 70% 60% 50% É NY D K É 13. ábra Termelés a tájolás függvényében 100% 90% 80% 70% 60% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 14. ábra Termelés a dőlésszög függvényében A napelemet alapvetően kétféle csoportba tudjuk osztani, ezek az amorf és kristályos napelemek. A kristályos napelemeket tovább tudjuk bontani a monokristályos és a polikristályos napelemekre. A következőkben ezek kerülnek ismertetésre. Amorf napelem: A hatásfoka 4-10% között mozog, ami kevesebb, mint a kristályosoké. Mivel kicsi a hatásfoka ezért jóval nagyobb felületet kell ezzel borítani. Az amorf napelem a szórt fényt jobban felhasználja, mint a 21
közvetlen napfényt. Az élettartamuk csak 10 év körül van. Egyéb jellemzőjük 800x1600mm területnél: ~100 V; 1-1,5 A; 80-120 Wp; 12 m 2 /kw. 15. ábra Amorf napelem Monokristályos napelem: Ez a napelem a legjobb hatásfokkal bíró napelem, aminek hatásfoka 15-18% között van. A monokristályos napelem a közvetlen napfényt hasznosítja jobban, de a szórt napfényben már kevésbé tudja jól felhasználni. Élettartama 30év körül van. Tulajdonságaik 800x1600mm-nél: 30-40 V; 7-10 A; 200-250Wp. 16. ábra Monokristályos napelem Polikristályos napelem: Ennek a hatásfoka majdnem olyan jó, mint a monokristályosé, 10-16% közötti. Ez a monokristályossal ellentétben a szórt fényt jobban tudja hasznosítani, mint a közvetlent. Élettartama 25 év körüli. Egyéb jellemzői 800x1600mm-nél: 30-40 V; 7-10 A; 200-250Wp. 17. ábra Polikristályos napelem 22
DC oldali csatlakozódoboz: A DC oldali csatlakozódoboz a napelemek és az inverter között található. Tartalmazza szükség esetén string-biztosítékot, string-diódát, a DC oldali túlfeszültségvédelmet, a DC oldali szakaszolókapcsolót. 18. ábra DC oldali kapcsolódoboz Inverter: Az inverter a napelemes rendszer által szolgáltatott egyenáramú energiát, váltakozó áramúvá alakítja. Egyéb jellemzői pontokba foglalva: széles bemeneti feszültségtartomány automatikus munkapont keresés (MPPT) kis harmonikustartalom jó hatásfok hosszú élettartam DC oldali leválasztó kapcsoló Integrált AC oldali védelem és kapcsoló berendezés kommunikációs felület 19. ábra Inverter doboz 23
AC oldali kapcsolódoboz: Az AC oldali csatlakozódoboz az inverter és a fogyasztó belső hálózata között található. Tartalmazza az AC oldali túlfeszültségvédelmet, az AC oldali szakaszolókapcsolót, illetve az AC oldali túlterhelés- és zárlatvédelmet. 20. ábra AC oldali kapcsolódoboz 24
5 Háztartási méretű kiserőművek hálózati hatásai 5.1 Kisfeszültségű hálózat alapjai Ahhoz, hogy a későbbiekben tudjuk és értsük, milyen változásokat okoznak a napelemes kiserőművek a kisfeszültségű hálózatokon, fontos ismerni magát az elosztóhálózatot. Ebben az alpontban ezért a kisfeszültségű elosztóhálózat kerül bemutatásra, annak kialakítása, és a szolgáltatott villamos energia szabványos értékei. A kisfeszültségű hálózat szabványos villamos mennyiségei a következők: Un= 3x400/230V, f=50hz A megengedett feszültségtűrés sáv: Un 8% 7% egyhetes mérés 10 perces átlagértékeinek 95%-ban leágazási ponton. Un Un 7,5% 7,5% 10% 10% 15% 20% egyhetes mérés 10 perces átlagértékeinek 95%-ban csatlakozási ponton. egyhetes mérés 10 perces átlagértékeinek 100%-ban. Un egyhetes mérés 1 perces átlagértékeinek 100%-ban. 21. ábra Kisfeszültségű hálózat szabványos feszültségtűrése 5 A kisfeszültségű hálózat kialakítása lehet szabadvezeték (csupasz, vagy szigetelt) vagy kábel. A hálózatkép általában sugaras rendszerű, ennek jellemzője, hogy egy táppontról indul, a fogyasztók áramai a táppont és a fogyasztók között egyetlen útvonalon jönnek létre. A sugaras hálózat elemei a gerincvezeték, és a szárnyvezetékek (leágazó vezetékek). A gerincvezeték a táppontból kiinduló fővezeték, erről ágaznak le 25
a szárnyvezetékek. Mind a szárnyvezetékekről, mind a gerincvezetékről indulhatnak csatlakozó vezetékek, melyek a felhasználók csatlakozási pontjára juttatják el a villamos energiát. Sugaras ellátás esetén a táppont induló feszültségével biztosítható, hogy a végpontokon a tűréssávon belül szabványos feszültség alakuljon ki. Kisfeszültségen nem jellemző, de kialakítható ún. íves-, gyűrűs hálózat, valamint az ún. lázán hurkolt hálózat. Erre a három kialakításra található példa az 1. mellékletben. 5.2 HMKE hatása a kisfeszültségű hálózat feszültségviszonyaira A legnagyobb probléma a HMKE-k használatával kapcsolatban, hogy jelentős betermelés esetén a csatlakozási ponton megemelik a hálózat feszültséget, ezzel átlépve a megengedett feszültségtűrési tartományt. Ennek megértéséért vizsgáljuk meg először a 22. és 23. ábrákat. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Helyben felhasznált Hálózatból vételezett Hálózatra adott 22. Ábra Április havi napi termelés/fogyasztás megoszlása 26
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Helyben felhasznált Hálózatból vételezett Hálózatra adott 23. Ábra December havi napi termelés/fogyasztás megoszlása Amint látható az energiatermelés a napsütéses időszakokra jellemző, mely évszaktól függően a reggeli óráktól a délutáni-esti órákig terjed. Ez azért jelent gondot, mivel nem ekkor lesz a legmagasabb az áramfelhasználás a tulajdonosoknál, így a termelt villamos energia nagyrészt a hálózatra kerül. Mivel ilyenkor a környező felhasználóknak is kisebb az energiaigénye, ezért a megtermelt energia hosszú hálózatszakaszon okoz feszültségemelkedést, kisebb kiterheletlen hálózat esetén akár a transzformátor energiairányát is megváltoztatja. Például 0,5 -os hurokimpedancián 10V feszültségemelkedést okoz egy egyfázisú 5 kva-es rendszernek megfelelő 20A-es betermelés. Ha figyelembe vesszük, hogy ugyanez a felhasználó, ha a napelemes rendszer üzemén kívül 20A-t a vételez, akkor 10V feszültségcsökkenést tapasztal. Összességében a csatlakozási ponton 20V-ot is változhat a feszültség. Kiterjedt KIF hálózaton eleve nagyobb induló feszültséget állítanak be a transzformátornál a csapoláskapcsolóval, erre emel még rá az inverter akár, így a csatlakozási ponton előírt tűréssáv tarthatatlanná válik. Az előbb említett probléma zömmel egyfázisú termelés esetén adódik, ugyanis az egyfázisú termelő berendezés a fázis- és a nullavezetőn is létrehozza a feszültségemelést (az 5 kva-es egyfázisú berendezés hálózati hatása megegyezik a 30 kva-es háromfázisú berendezéssel). 27
Végül figyelembe kell venni azt is, hogyha valaki HMKE-t létesít, akkor annak előnyeit látva a környező felhasználók is saját HMKE-t létesítenek, így termelési időszakban csökken a hálózatból igényelt villamos energia és nő a hálózati visszatáplálás. 28
6 Mintahálózati számpélda Először egy kisfeszültségű áramkör modelljén vizsgálom a hálózat terhelési állapotát, és a hálózatra kapcsolódó HMKE-k hálózati hatásait. Ezt a kisfeszültségű áramköri modellt egy Excel táblázatban én hoztam létre, melynek függvényei és vezérlőelemei segítségével nagyszámú számítás végezhető. Ezt a táblázatot, és annak adatbeviteli mezejét a 24. ábra illusztrálja. 24. Ábra: Számító Excel táblázat 6.1 Mintahálózat felépítése Ezt a mintahálózatot a nyári gyakorlatom során hoztam létre, miután gyakorlatban is megismertem a kisfeszültségű hálózatok felépítését. Első lépésként létre kellett hozni magát a hálózatot. A mintahálózat egy sugaras rendszerű kisfeszültségű áramkör, ami az egyszerűbb számítás miatt szárnyvezetéket, elágazást nem tartalmaz. Mivel az áramkörök átlagos hossza 500m, 16 oszlopközt vettem fel. Az oszlopok a hálózat csomópontjai, ezekről indulnak a fogyasztók irányába a csatlakozóvezetékek, melyekkel nem számolunk. A csomópontok közti távolságot a VÁT-H4 típusterv alapján 30 méter közelébe vettem fel. (Az oszloptávolságok a 2. mellékletben találhatók.) 29
Kisfeszültségű hálózati gerincvezeték jellemző keresztmetszete 95 mm 2 és 50 mm 2. Az áramkörön két különböző keresztmetszetű műanyagszigetelésű kötegelt vezetéket vettem fel. Az első tíz szakasz 3x95/95mm 2, míg a maradék 3x50/50mm 2 keresztmetszetű. (A vezetékadatok a 3. mellékletben találhatók.) A hálózat létrehozása után a csomópontokon lévő fogyasztók beállítása következett. Fogyasztóként egy- vagy háromfázisú csatlakozású, lakossági vagy üzleti profil szerint vételező fogyasztók lettek felvéve. Egy csomóponton 3 fogyasztónál nem helyeztem el többet. (A csomópontokon lévő felhasználók számát és típusát a 4. melléklet tartalmazza.) Ezután ezeket a fogyasztókat szétosztottam a három fázison, úgy hogy megközelítőleg egyenlő arányban helyezkedjenek el, majd ezekhez éves energiafelhasználást rendeltem. Törekedtem arra, hogy a beállított értékek az átlagos 3000 kwh fogyasztási érték körül helyezkedjenek el (Ezen értékeket az 5. melléklet tartalmazza). Végül a feladat fontos elemekeként véletlenszerűen elhelyeztem 3 kiserőművet a hálózaton. Ebből kettő egyfázisú, a harmadik háromfázisú. Az első 5 kva-es egyfázisú HMKE a 6. csomópont L1 fázisára került, a második, 3 kva-es az utolsó csomópont L3 fázisára, míg a 10 kva-es háromfázisú erőmű a 12. csomópontra. Ezek a mintahálózat számolótáblájában jelölő négyzet segítségével ki- és bekapcsolhatóak, így meg lehet vizsgálni, hogy milyen hatást fejtenek ki a hálózat feszültségviszonyaira. Az így kapott hálózatot, és az oszlopok különböző fázisain lévő üzleti és lakossági terhelések és termelések mennyiségét a 25. ábra mutatja: 30
25. Ábra: A mintahálózat egyvonalas sémája, a rajta található terhelésekkel termelésekkel 31
Következő feladat a fogyasztókhoz rendelt profilok meghatározása volt. Ezt egy külön munkalapra készítettem. Először az E.on honlapjáról letöltöttem, egy bárki által elérhető 2014. évi fogyasztói terhelési profil táblázatot. 6 Ez megmutatja, hogy a különböző fogyasztó típusok (pl. Üzleti, lakossági) egész éves fogyasztásának mekkora része várható egy adott negyed órában. (A profiloknak a még részletesebb bemutatása az 6. mellékletben történik, ahol is az elosztói szabályzat ide vonatkozó leírásai olvashatóak.) A táblázatból kiválasztottam egy napot, 2014.06.29.-ét és ennek negyedórás adatait használtam a modellezéshez. Azért esett erre a nyári napra a választás, mivel a napelemes kiserőmű ekkor éri el a legnagyobb termelési állapotot, így a hálózatra ekkor gyakorolja a legnagyobb hatást. A negyedórás adatokat összegezve órás profilokat készítettem, modellvizsgálathoz ez is bőven elegendő volt. Konkrét mérési adatokat felhasználva 7 elkészítettem egy ideális tájolású napelemes termelő berendezés termelési profilját is. (Az órás terhelés/termelési adatokat az 7. melléklet tartalmazza). Az alap, számítási munkalapon létrehoztam egy legördülő menüt, melynek segítségével ki tudjuk, választani melyik órára vagyunk kíváncsiak. Ekkor az adott órára jellemző profilok töltődnek be. A fejlécben elhelyeztem a fogyasztói terhelések cosφ állítására alkalmas mezőt, mellyel az összes fogyasztó fázishelyzetét egyszerre tudjuk változtatni. Végül elhelyeztem még egy mezőt, melyben megadhatjuk a transzformátor induló feszültségét. 6.2 Mintahálózat számításai HMKE termelések nélküli Az alap, számítási munkalapon két számítási folyam található. Az első ebből a HMKE-k termeléseit nélkülöző hálózati értékek számítása. Erre azért volt szükség, mert később ezeket az értékeket használtam fel a betermelésnél kialakuló állapotváltozás meghatározásához. Szakaszteljesítmények számítása: Az első számítást a szakaszteljesítmények kiszámításával kezdtem. A csomópontok különböző fázisain lévő éves fogyasztásokat szorozzuk meg a már korábban kiválasztott órának megfelelő profilokkal, ügyelve arra, hogy a lakossági teljesítményeket a lakossági profillal, az üzletiket pedig az üzleti profillal szorozzuk. Végül az üzleti és a lakossági teljesítményeket összeadjuk. Mivel az utolsó szakaszt leszámítva nem csak 32
saját teljesítmény van az adott szakaszon, ezért az adott fázis aktuális csomópontja mögött lévő teljesítményeket hozzáadjuk a saját teljesítményhez. Szakaszáramok számítása: A szakaszteljesítményekből szakaszáramokat tudunk számolni: I szakasz Sszakasz U *cos. Ebben az egyenletben az induló feszültséget egységesen a valóságra jellemző 242V induló értékre állítottam be (nem számolunk a feszültségesés/emelés által csomópontonként kialakuló értékekkel, így itt egyszerűsítünk). induló Fázisvezetők feszültségesése: A fázisok szakaszáramaiból, illetve a hozzájuk tartozó vezeték és hossz adatokból tudunk fázisvezetőn hossz-, illetve keresztirányú feszültségeket számolni. A hosszirányú feszültségesés: U * * * sin. A hossz Iszakasz R cos X keresztirányú feszültségesés: U I * X * cos R* sin kereszt szakasz. Ezeket komplex számként össze tudjuk rakni egy közös mennyiségbe. A hosszirányú tag lesz a valós rész, míg a keresztirányú a képzetes. Az L2 és L3 fázishelyes feszültségesését úgy határozzuk meg, hogy a kiszámolt komplex feszültségesés értéket elforgatjuk 120 -kal, illetve -120 -kal. Ezt úgy érem el, hogy ezeket az értékeket megszorzom a, valamint a 2 park vektorokkal. Egyenletben ezek az 3 alábbiak: UL2 UL2 120 UL2 ( 0,5 j ) ; 2 3 UL3 UL3 120 UL3 ( 0,5 j ). 2 Nullavezető feszültségesése: Minderre azért volt szükség, hogy helyesen tudjuk a nulla vezetőn eső feszültséget számolni. Így ugyanis vektoriálisan összegezzük a három fázis feszültségesését, és a kapott értéket is vektoriálisan kapjuk meg, tehát helyes értékkel tudunk tovább számolni. Ezen fázis és nullaveztős feszültségesések könnyebb értelmezhetőségéért áramköri modellt, valamint egy ehhez tartozó vektorábrát helyeztem el a 8.a. és 8.b. mellékletben, melyen látszanak a 120 -os fáziseltérések, a hossz és keresztirányú feszültségesések, valamint minimálisan a nullán eső feszültség. 33
Végponti feszültségesés: A nullavezető szakaszon eső feszültségekkel vektoriálisan összeadhatók a fázisok feszültségesései, ekkor megkapjuk az adott csomópontra jellemző feszültségesést. A teljes végponti feszültségesés számításhoz ezeket a feszültségeséseket kell összeadni, úgy hogy egy adott csomópont végponti feszültségesése a rá jellemző feszültségesést és az előtte lévő hálózatrész feszültségeséseit tartalmazza. Így az utolsó csomópontoknál megkapjuk, hogy mekkora feszültség esik az adott fázis teljes szakaszán. Ha ezeknek az L2 és L3-as fázisértékeit visszaforgatjuk a és a 2 park vektorokkal, akkor azonos koordinátarendszerbe eső értékeket kapunk. Ezzel megkaptuk az egymással jól összehasonlítható, kisebb elhanyagolásoktól eltekintve viszonylag pontos végponti feszültségeséseket a teljes hurkon. 6.3 Mintahálózat számításai HMKE termelésekkel A második számítási szakaszban már a HMKE-k által termelt villamos energia is figyelembe van véve. Először is a korábban kiszámolt szakaszteljesítményeket felbontom úgy, hogy a különböző fázisokon lévő csomópontok saját teljesítményigényét kapjuk eredményül. (Az így kapott értékeket a 9. melléklet tartalmazza.) A továbbhaladás érdekében figyelembe vesszük, hogy a termelt áram alapesetben a hálózat mindkét irányába megindulhatna, viszont mivel a transzformátornál a feszültség szintje nagyobb, mint a hálózat végén, ezért az áram először a hálózat vége felé fog megindulni. Ha a kiserőmű nem a hálózat végén van, a termelő mögötti hálózatrészek energia igénye változatlan marad, tehát a szakaszteljesítmény megmarad. Ahhoz pedig, hogy a termelő csomópontja mekkora energiaigénnyel bír, úgy kapjuk meg, hogy a kiserőmű termeléséből kivonjuk a mögötte lévő terheléseket, és ami megmarad érték az lesz a csomóponton. Az ezelőtt lévő csomópontok igényét pedig úgy kapjuk meg, hogy az adott csomópont, valamint a közte és a termelő csomópontja közt lévő igényeket összeadjuk a termelő csomópontján jelentkező értékkel. Ha ezek negatívak, az áram irány is az alap áramiránnyal ellentétes. Az így kapott szakaszteljesítmény táblázatból, ugyanazokkal a számításokkal, amiket az első számítássornál is elvégeztünk, megkapjuk a hálózaton eső/emelkedő feszültséget. Ennél a számítási folyamnál még plusz műveletként az így kapott komplex feszültség eséseket/emelkedéseket kivonjuk a beállított induló 242 V-ból. Az így kapott 34
eredményeknek pedig az abszolút értékét vesszük, így kapunk végponti feszültségértékeket, melyeket a grafikonon ábrázolunk. Érdemes még megjegyezni, hogy a szakaszok feszültségesései, jellemzően a hálózat végén, lehetnek negatív értékűek. Ez akkor következhet be, amikor a három fázis terhelése jelentősen eltér, így nagymértékű aszimmetria jelentkezik. 6.4 Mintahálózat számítási értékeinek bemutatása Mivel a mintahálózattal - beállíthatósága miatt nagy számú számítást lehet elvégezni, ki kell választani azokat a körülményeket, amelyek a leginkább megfelelnek a valóságnak, és a legszemléletesebb eredményeket adják. Ezért a cosφ teljesítménytényezőt 0,9-re választottam, az órát pedig 11 órára. Korábban bemutatott táblázatokból jól látszik, hogy ilyenkor a legnagyobb a napelemes kiserőmű termelése. Emellett egy 20 órára vonatkozó számítási sort is készítetem a későbbi összehasonlítás érdekében. Négy esetet vizsgáltam. Az első három 11 órára vonatkozó adat, első, amikor nincs HMKE a hálózaton, a második, mikor a két egyfázisú termelő rajta van az L1 és L3 fázisokon, a harmadikban mindhárom napelem termel. 11. órakor az alábbi profilok jelentkeznek: Lakossági 0,108151 Üzleti 0,174707 Termelési 0,444521 A negyedik eset a 20. órára vonatkozó adat, ekkor már nem termel a napelem, viszont a terhelés ebben az időszakban a legnagyobb. A 20. órakor az következő profilok jelentkeznek: Lakossági 0,154869 Üzleti 0,104411 Termelés 0,000000 Először a szakaszteljesítményeket kapjuk meg wattban a három különböző állapot esetén. (Ezeket a 10. Melléklet tartalmazza.) Ezekből lehet kiszámolni a szakaszáramokat. (Ezeket a 11. Melléklet tartalmaz.) Ezek után szakasz feszültségesések meghatározása következett. A szakasz feszültségesési értékekből, 35
meghatározhatók a végponti feszültségesések. Ezek a feszültségesési értékek komplex értékek, így táblázataik átláthatóan nem mutathatóak be. Ha ezeket a feszültségesési értékeket a kisfeszültségű hálózat beállított induló feszültségéből rendre levonjuk, akkor megkapjuk a végponti feszültségértékeket. Ezek abszolút számértékei a 12. mellékletben megtalálhatóak, míg a belőlük készült feszültségdiagramok a hálózat mentén a következőek lesznek: 26.a. Ábra: 11. óra - Csomópontok feszültségei kiserőmű termelések nélkül 26.b. Ábra: 11. óra - Csomópontok feszültségei az egyfázisú kiserőművek termelésével 36
26.c. Ábra: 11. óra - Csomópontok feszültségei az összes kiserőmű termelésével 26.d. Ábra: 20. óra Csomópontok feszültségei Az ábrákból jó pár információt le lehet szűrni a HMKE-ket tartalmazó hálózatokkal kapcsolatban. Ha csak a 11 órás fogyasztási állapotot vizsgáljuk, az történik, amire számítunk, a hálózaton a feszültség csökken mindhárom fázison. A második és harmadik ábrán viszont már a feszültségszintek ingadoznak, hol növekedni, hol csökkeni fognak. A korábban leírt negatív hatásokhoz kapcsolódon két dolgot fontos megjegyezni. Az egyik a fázisokon eltérő terhelésből adódó feszültségszint különbség. Erre a legjobb 37
példa a 23.c. ábra 16. csomópontja. Itt az L2-es és az L3-as fázis között 2,5 Volt lesz a különbség. A másik ilyen probléma, hogy mekkora eltérések adódhatnak egy fázis ugyanazon csomópontján mérhető feszültségértékek között. Ha megvizsgáljuk a 23.c. ás a 23.d. ábrákon az L3 fázisnak a 16. csomópontját, akkor láthatjuk, hogy a nappali és az esti értékek között több mint 3,5 Volt eltérés tapasztalható. Ezen problémák még dominánsabban jelentkezhetnek, ha nagyobbak a HMKE-k teljesítményei, a vezetékrendszer hosszabb vagy keresztmetszete alacsonyabb, esetleg kevesebb a fogyasztó, aki elfogyasztaná a megtermelt energiát. 38
7 Regiszteres mérések és eredményeik Ebben a fejezetben a napelemes kiserőművek valós körülmények közötti hatását vizsgáljuk meg. Ehhez regiszteres mérések készültek a nyár folyamán, és ezen adatok kerültek kielemzésre. 7.1 Mérés előkészítése 2014 nyarán a kötelező szakmai gyakorlatomat az E.on Tiszántúli Áramhálózati Zrt.- nél töltöttem. Itt lehetőségem nyílt rá, hogy regiszteres méréseket végezzünk Debrecenben olyan területeken, ahol az adott hálózaton több napelemes kiserőmű is található. Első lépésként ki kellett választani a megfelelő mérési területeket. Olyan utcák lettek keresve, ahol a hálózaton legalább három ilyen kiserőmű is található a várhatóan nagyobb hálózati hatások miatt. Így esett a választás három utcára Debrecenben, az első a Szepesi utca, a második a Gyolcsos utca, míg a harmadik a Kiss Ernő utca. Az első és harmadik területen három darab egyfázisú erőmű volt található, míg az utolsó, Gyolcsos utcában két darab egyfázisú, és két darab háromfázisú. (Ezeknek a területeknek a hálózati képe a 13. mellékletben található). Ezekre a hálózatokra július 26.-án kerültek fel a mérő regiszterek. Kétfajta regiszter lett használva, az egyik a Vertesz VHR 20, a másik a Vertesz VHR 21 mérő regiszter. Utóbbi a transzformátornál való mérésre volt alkalmas, itt az elmenő áramokat, valamint a transzformátor szekunder oldali feszültségét rögzítette a berendezés. A VHR 21 berendezés képét, valamint a transzformátorállomásba szeret állapotot a 24. ábrák mutatják. 39
27.a. Ábra: Vertesz VHR 21 27.b. Ábra: 39163-as számú István úti 10/0,4kV-os transzformátor állomás a beszerelt VHR 21 regiszterrel 40
A VHR 20-as végponti feszültségek mérésére volt alkalmas, ezek a hálózatok oszlopaira lettek felszerelve, így mérték a hálózat adott pontján lévő fázisok feszültségértékeit. A VHR 20-as berendezés képét, illetve oszlopra szerelt állapotát a 25. ábrák mutatják. 28.a. Ábra: Vertesz VHR20 28.a. Ábra: A VHR 20 oszlopra szerelt állapotban 41
7.2 A mérés időszaka A mérőberendezések felszerelését követkő két hétben zajlott a mérés. A berendezések két kivételtől eltekintve perces adatokat gyűjtöttek, melyek tartalmazzák az adott időszak átlag értékeit, valamint minimum és maximum értékeit is. A kéttranszformátoros regiszternél a rögzítendő nagyobb adatmennyiség miatt csak tízperces értékeket lehetett gyűjteni. Ezeket a mérők hálózati kommunikáció segítségével el tudták küldeni a kiolvasásért felelős Reginfo programnak. Miután elsajátítottam a program használatát, fázisazonosítást kellett végezni a már megkapott adatok alapján. Erre azért volt szükség, mert a valóságban egy nem négy szál feszítésű hálózatnál nem könnyű beazonosítani, melyik vezeték melyik fázist viszi, emellett a hálózat létesítésénél az átkötéseknél sokszor nem ügyeltek a fázis azonosságra, így a mérőberendezések felszerelésénél is csak annyit lehetett tudni, hogy a bekötés forgásirány helyes-e. Ilyenkor a fázisazonosítást a már mért értékek alapján lehetett elvégezni, úgy hogy az adatokból készített görbéken jellegzetességeket kellett keresni, amik csak az adott fázisra jellemzőek, a másik kettőre nem. Miután már minden fázis be lett azonosítva, elkezdődhetett a kiértékelés. A következő elemzéseket készítettem: az átlagok mikor lépnek ki a különböző tűrési sávokból, mekkora feszültségesések tapasztalhatóak a transzformátortól a végpontig, milyen aszimmetriák adódnak és a legfontosabb, mennyivel változtatja meg a HMKE a feszültségértéket. Ez alapján ki lehetett választani, hogy melyik körzet melyik napja lesz a legalkalmasabb az elemzésre, bemutatásra. 7.3 Egy mérés kiértékelése Minden egyes mérési körzetből kiválasztottam egy vagy két teljes napot, amihez grafikont készítettem. Ebből most a legszemléletesebbet fogom bemutatni, a Gyolcsos utcai hálózat 2014. július 9.-ei napja. A grafikon elkészítéséhez először az aznapi mért adatokat importáltam ki. Ez öt darab regiszter mért értékeit jelenti, melyből négy végponti mérő, egy pedig a transzformátor állomásban elhelyezett regiszter. Ezekből az adatokból a jobb szemléltethetőség kedvéért negyedórás átlagokat készítettem. Majd hogy az adott napra és Debrecenre jellemző napelemes termelési adatokkal is rendelkezzek, a Sunny Portal oldalról 8 egy debreceni napelemes rendszer (Lincos) termelési adatait használtam. 42
Ezekből meghatároztam, hogy az adott negyedórában milyen volt a napelemes termelés. Ezzel az értékkel, valamint a már ismert, hálózaton lévő napelemek teljesítményéből ki tudtam számolni mekkora lehetett a valós termelés. Ezzel csak annyi a gond, hogy ez a három fázisra jellemző termelés, nem fázisonkénti, ezért inkább csak szemléltetésre és összehasonlításra használható. Fázisonkénti kiszámításra azért nem volt mód, mivel az egyfázisú erőművek elhelyezése ismeretlen volt, valamint azt sem volt ismeretes, hogy az adott háztartások ezeknek mekkora részét használják fel. Miután ezek az adatok mind rendelkezésemre álltak, elkészítettem belőlük a három fázis grafikonjait, amelyek az alábbiak lettek: 29.a. Ábra: A Gyolcsos utca és körzetének R fázisának adatai 43
29.b. Ábra: A Gyolcsos utca és körzetének S fázisának adatai 29.c. Ábra: A Gyolcsos utca és körzetének T fázisának adatai 44
Ezekből a grafikonokból jól látszik, hogy amikor a napelem termel, vagyis 6:30-tól 14:00-ig, valamint 15:15-től 20:15-ig, jelentős kihatással van a hálózatra. Ilyenkor lecsökken a hálózatból igényelt áram, valamint a HMKE-k felszültség emelő hatása is érvényesül. Lesz olyan pont ahol a végponti feszültségek nagyobbak lesznek, mint a táppontban lévő feszültség. Erre példa az R fázis 17:00 időpontja, amikor a Gyolcsos utca végén lesz nagyobb a feszültség. A mérések során nem láttunk azt a nagymértékű feszültségemelést, amire számítottunk. Ennek oka az lehet, hogy az adott területeken sok fogyasztó helyezkedik el, viszonylag kis távolságra egymástól, így még ha az energia igény nappal kevesebb is, mint este, a megtermelt energia a napelemes termelő berendezés közvetlen környezetében elfogy, és nem hat ki a hálózat teljes egészére. Viszont korábbi, nem általam végzett mérések azt mutatják, hogy a probléma valós, a mintahálózatnál jóval gyengébb kisfeszültségű hálózatok is találhatók. 45
8 Következtetések Modellvizsgálat és mérések alapján, jelenleg egy átlagos, normál beépítettségű és fogyasztási hálózaton még nem okoznak gondot a háztartási méretű kiserőművek. Ha a napelemes erőművek terjedése ugyanebben az ütemben halad, a vázolt problémák, vagyis a nagymértékű feszültségemelés és az aszimmetria általánossá válhatnak. Külföldön több példa is mutatja, hogy az alapállapotban centralizált energiatermelésből ugrásszerűen nem lehet áttérni a decentralizált energiatermelésre, a fogyasztásra kialakított hálózati struktúra miatt. Már most meg kell vizsgálni különböző megoldási lehetőségeket, esetleg új utat kell keresni. Legkézenfekvőbb és egyben a legdrágább megoldási lehetőség a hálózat rekonstrukció. Ilyenkor a hálózati engedélyes lecseréli a meglévő hálózatát nagyobb keresztmetszetűre, vagy hálózatátrendezéssel az ellátás hosszát csökkenti. Ez a megoldás azon kívül, hogy rendkívül költségigényes, sok esetben nem ad végső megoldást pl. hosszú hálózat esetén sem alkalmaznak 95 mm 2 -nél nagyobb vezeték keresztmetszetet. Lehetőség lenne transzformátor visszacsapolásra, ami azért nem jó megoldás, mivel a transzformátor felcsapolását azért alkalmazzák, hogy a kiterjedt és kiterhelt hálózat esetén, a hálózatvégeken még szabványos sávon belüli legyen a feszültség, így a visszacsapolás csak a termelési időszakban oldaná meg a problémát. Ebből kiindulva alkalmazható lenne automatikus feszültségszabályzóval rendelkező transzformátor, amely termelési időszakban alacsonyabb, terhelési időszakban magasabb értéken tartaná az indulófeszültséget. Ez a megoldás sem olcsó, a szabályozós transzformátor költsége kb. 150%-a csapoláskapcsolós transzformátornak. Ezeken kívül még az alábbi módszerek alkalmazhatók: helyben történő felhasználás elősegítése (villamos fűtési, meleg víz előállító rendszer üzemeltetése, okos (smart) megoldásokkal) tárolókapacitás beépítése a közcélú hálózatba (szuperkondenzátor) egyfázisú termelő berendezés beépíthető teljesítményének korlátozása 5kVA-ről pl. 2,5 kva-re. inverter keresztirányú szabályozásának előírása pl. cos kapacitív =0,8, cos induktív =0,8 fázisszög között. 46