G07 eladás* Werner Roth Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg Tel.: +49-761-4588-5227, Fax: +49-761-4588-9227 E-mail: werner.roth@ise.fraunhofer.de; Internet: www.ise.fraunhofer.de 1 Bevezetés A napenergia kis regionális különbségekkel az egész világon elérhet, az energiaszükségletet meghaladó mennyiségben. A napenergia hasznosítása sok sürgs problémára nyújt fenntartható megoldást. Például a napenergia környezetbarát, mivel a használata során nincs káros anyag kibocsátás. Az elosztott energia-termelésre szintén kiválóan alkalmas. A villamos áramellátásra a fotovillamos (PV) rendszerek amelyek a napenergiát közvetlenül villamos energiává alakítják-, ígéretes módját adják az energia ellátásban való részvételnek, ráadásul anélkül, hogy a környezetre súlyosabb hatást gyakorolnának, vagy más energiaforrásokat használnának fel. A fotovillamos áramforrások moduláris felépítése a megújuló energián alapuló rendszer különlegesen széles teljesítménytartományában való alkalmazását teszi lehetvé: a néhány mw teljesítmény karórától kezdve a hálózattól távoli néhány kilowatt fogyasztású felhasználókon át (pl. hegyvidéki kunyhók) a hálózatra kapcsolt, néhány MW teljesítmény napermvekig. A PV rendszerek több tekintetben különböznek a hagyományos energiaellátó rendszerektl. A rendszer mködését a helyi klimatikus peremfeltételek és a felhasználó viselkedése is ersen befolyásolja. A fotovillamos energia ellátó rendszerek ezen speciális jellemzinek pontos ismerete emiatt fontos elfeltétele a PV rendszerek tervezésének, méretezésének, telepítésének és karbantartásának. A továbbiakban elször a fotovillamos eszközök történetét ismertetjük röviden. Azután a napenergia potenciál kerül bemutatásra, amit összehasonlítunk a világméret elsdleges energiafogyasztással. Ezt követen néhány fogalmat definiálunk annak érdekében, hogy különbséget tudjunk tenni a különböz típusú fotovillamos rendszerek között. Ez után különféle fotovillamos energiatermel rendszerek szerkezetét ismertetjük blokkdiagramok formájában. Ennek kapcsán a különböz szükséges komponensek szerepe is tárgyalásra kerül. Végezetül néhány példát mutatunk be a fotovillamos energia termelésére. * A fordítás a Soltrain projekt (4.1030/Z/02-067/2002 sz. EU Altener program) keretében, a SzIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék gondozásában készült.
2 A fotovillamosság története A fotovillamos kifejezés a fény közvetlen villamos energiává átalakítására utal. Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus figyelte meg elször a végbemen fizikai folyamatot 1839-ben. Ebben a kísérletben azt tapasztalta, hogy elektrolit oldatba helyezett elektródát megvilágítva a vezetképesség a besugárzással arányosan megn. A jelenség további magyarázatát adták W. Adams és R. Day angol fizikusok 1877-ben, akik megfigyelték, hogy a fénynek kitett szelénium villamos áramot termel [1]. 1954-ben D. M. Chapin, C. S. Fuller és G. L. Pearson az amerikai Bell Laboratories munkatársai kifejlesztették az els PV cellát kristályos szilíciumból, ami 6%-os hatásfokával abban az idben nagynak számított. Néhány év múlva a hatásfokot sikerült 10%-ra növelni. 1958-ra a fotovillamos eszközöket már mholdak, rszondák és rállomások energiaellátására használták. 1973-ban az olajválság fordulópontot jelentett a fotovillamos eszközök földi felhasználásában. Attól kezdve számos kutatás és fejlesztés kezddött világszerte, új kutatóintézeteket alapítottak. A költségek csökkentésének összes lehetséges módját intenzíven keresték, mert a széles kör használat legnagyobb gátja a nagyon magas beruházási költség. 3 A napenergia potenciálja Minden évben mintegy 8 10 8 TWh energia érkezik a Föld felszínére a Napból. Összehasonlításképpen az emberiség éves elsdleges energiafelhasználása 1 10 5 TWh-nál alig több, vagyis a napenergiás potenciál 8000-szer nagyobb, mint a világ energiaigénye. Még ha csak a szárazföldek 149 10 6 km 2 területét vesszük is figyelembe (a Föld felszínének 29%-a) a besugárzott energia akkor is 2300-szor nagyobb az energiaigénynél. Még azzal a feltételezéssel is, hogy a besugárzott energiának csak a tört része használható fel emberi felhasználás céljára, a rendelkezésre álló napenergia még mindig elegend a teljes energiaigény kielégítésére. 4 A különböz fotovillamos alkalmazások leírására használatos fogalmak definiálása A fotovillamos alkalmazásokat két f csoportba szokás sorolni, a hálózaton kívüli és a hálózatra kapcsolt rendszerek csoportjára. A hálózaton kívüli csoporton belül a hálózattól távoli és a hálózat elérési körzetébe es osztályokat szokás megkülönböztetni. Egy másik ismérv a rendszer teljesítménye; a legnagyobb teljesítmény rendszereket fotovillamos ermveknek nevezik. Bár az ily módon definiált kategóriák átfedik egymást, ahogy az 1. ábrán is látható. A hálózat elérési körzetébe es alkalmazások elssorban gazdasági, menedzseri, biztonsági vagy környezetvédelmi okokból használnak fotovillamos energia ellátást, mint az egyébként elérhet villamos hálózat alternatíváját. 2
SOLTRAIN G07 el adás Ha az eszközöket épületek belsejében használjuk, beltéri alkalmazásokról beszélünk. Egy másik szempont szerint felhasználói és ipari alkalmazások között teszünk különbséget. Az alkalmazási példák között közismertek a néhány µw teljesítmény fotovillamos áramforrásoktól a néhány száz wattos tartományig terjed kisebb alkalmazások, mint pl. az elem nélküli zsebszámológépek, a parkolóórák és a buszmegállók világítása. Hálózattól távoli fotovillamos rendszerekr l beszélünk, ha a villamos hálózat nem elérhet, például távoli elzárt területekben vagy rossz infrastruktúrájú országokban. Mikor egy ilyen rendszer elég nagy méret azt mikrohálózatnak vagy autonóm rendszernek nevezzük. A hálózatra kapcsolt rendszerek a megtermelt energiát egy inverteren keresztül visszatáplálják a villamos hálózatba. A hálózatra kapcsolt rendszerek teljesítménye széles skálán mozoghat: a kisméret, elosztott, rendszerint háztet kre telepített, néhány kw teljesítmény rendszerekt l a központi rendszerek MW nagyságrend teljesítményéig. Ezen rendszerek rendszerint nagy meglév szerkezetek szabad felületeit használják (pl. nagy tet k, homlokzatok és hangvéd falak, vagy nyílt térségekre telepítettek önálló tartószerkezettel). Hálózat független energiaellátás Fogyasztói alkalmazások Hálózat kapcsolt rendszer Ipari alkalmazások Hálózattól távoli települések telekommunikácó villamos világítók közlekedési jelzések háztartási szolár rendszerek beltéri kültéri számológépek tölt készülékek villamos mérlegek szök kutak órák zseblámpák kijelz k települési energiaellátás villamos szerszámok kerti fények navigációs fények akkumulátor töltés mobil telefonok házszám világítás katódos védelem víztisztítás táv felügyelet öntözés autó szell ztetés hegyi éttermek/hotelek utcai világítás csónakok oltóanyag h tés iskolák távközlés Elosztott Központi magán házak tet i közüzemi energiaellátó oktatás/ iskolák osztatlan közös tulajdon homlokzatba integrálás zajvéd fal 1. ábra: Fotovillamos alkalmazások (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany). 5 Fotovillamos energiaellátó rendszerek tervezése A fotovillamos áramforrások moduláris felépítése rendkívül széles skálán mozgó teljesítményszinttel teszi lehet vé az energia ellátó rendszerek tervezését. De a teljesítményt l függetlenül a tervezési feladatok nagyon hasonlók. 3
5.1 Kisebb eszközök mködtetésére szolgáló fotovillamos rendszerek A kisebb alkalmazások, eszközök energiaellátására szolgáló fotovillamos rendszer f részei a fotovillamos (PV) elemek, a töltésszabályozó, az akkumulátor és a feszültségszabályozó (2. ábra) Igen kis alkalmazásoknál (pl. órák, zsebszámológépek) a fotovillamos áramforrás csak egy (vagy néhány) napelembl áll. Nagyobb kimen teljesítmény esetén a napelemeket modulokba építik. Töltés szabályozó PV elemek Feszültség szabályozó DC terhelés akkumulátor 2. ábra: Kis fogyasztót mködtet fotovillamos rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). A kis berendezések energiaellátására szolgáló speciális kis modulok mellett szabványos modulokat gyártanak a nagyobb energiaigény kielégítésére. Ezeket a szabvány modulokat úgy méretezik, hogy 15-17V-os névleges feszültséget adjanak, és így alkalmasak legyenek a 12 V névleges feszültség akkumulátorok töltésére. A modul kiválasztásánál a kimen teljesítmény és a feszültség értékét kell figyelembe venni. Ezen kívül a modul mechanikai szerkezete el kell hogy viselje az idjárási és klimatikus viszonyokat hosszú idn át. A rendelkezésre álló hely és a beépítés módja, a geometriai méretek, a fizikai jellemzk és a modul keretének csatlakozási lehetségei szintén fontos szerepet játszanak a kiválasztásban. Az energiatároló akkumulátor túltöltés illetve mélykisütés elleni védelmét a töltésszabályozó végzi, amit a napelemek, az akkumulátor és a terhelés közé kapcsolják. A töltésszabályozók rendszerint egy kisütés véd diódát is tartalmaznak, amely megakadályozza, hogy a napelemeken keresztül az éjszaka folyamán kisüljön az akkumulátor. Egy jó töltésszabályozó nagyon kis áramot fogyaszt, és rendelkezik mélykisütés védelemmel, amely túl alacsony feszültség esetén az akkumulátor terhelését megszakítja. Az akkumulátor a fotovillamos elemek által termelt energiát tárolja rossz idjárás esetére, illetve éjszakai felhasználásra. 4
A fotovillamos alkalmazások rendszerint nikkel-kadmium vagy nikkel-fémhibrid akkumulátorokat használnak az energiatárolásra, bár ólom, litium-ion akkumulátorok és kondenzátorok is használatosak. A kisebb fotovillamos alkalmazások általában savas ólom akkumulátort használnak. Ezek a speciális autóakkumulátorok extra vékony ólomlemezekkel (szolár akkumulátoroknak nevezik) fként a hordozható alkalmazásokhoz alkalmazandók, pl. kempingezk, hajók és hétvégi házak villamos fogyasztóinak ellátására. A fotovillamos rendszerrel ellátott lakhelyként szolgáló házak és napi töltés/kiütési ciklus esetén rendszerint csöves-lemezes akkumulátorok ( OPzS ) használatosak, amelyek mélykisütés ciklusaik miatt hosszú élettartamúak. Néha közönséges autóakkumulátorokat használnak a házi napelemes rendszerekben, mert könnyebben beszerelhetk és olcsóbbak. Néhány alkalmazáshoz gondozásmentes akkumulátor használata indokolt, ezekben az elektrolit zselével rögzített. Ezen akkumulátorok 100-ad annyi kénsav gzt bocsátanak ki, mint a folyadék elektrolitos ólom akkumulátorok, ami lehetvé teszi, hogy az elektronikával azonos térbe helyezhetk. Mivel a gondozásmentes akkumulátor szivárgásmentes is, így tetszleges pozícióban használható. A feszültségszabályozó a fotovillamos rendszer feszültségét a fogyasztó feszültségéhez illeszti. A fotovillamos rendszerekkel üzemeltetett fogyasztók esetén ez rendszerint egy DC/DC konverter, amely az adott egyenfeszültséget a fogyasztó által igényelt egyenfeszültséggé alakítja. PV elemek (napelemek) Feszültség szabályzó Fogyasztó 3. ábra: Energiatárolás nélküli fotovillamos rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Ha az igény és a bejöv energia egy idben jelentkezik, a kis eszközök energiaellátásához nincs szükség akkumulátorra. (3. ábra) A zsebszámológép, a ventillátor és a szivattyú például ilyen eszközök. 5.2 Hálózattól távoli, közepes vagy nagyteljesítmény fogyasztók fotovillamos energia ellátása. Ha nagyobb teljesítményre van szükségünk, vagy hagyományos háztartási vagy ipari eszközöket szeretnénk használni, 230V-os váltakozófeszültséget szükséges használni. Ennek elérésére egy invertert kell a rendszerbe integrálni (4. ábra). Az inverter a fotovillamos generátor által termelt egyenáramot (vagy az akkumulátor áramát) váltakozóárammá alakítja. 5
töltésszabályozó PV elemek (napelemek) inverter Villamos hálózat akkumulátor 4. ábra: Váltakozóáramú kimenettel rendelkez fotovillamos rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). A mi földrajzi szélességi körünkön kizárólag a fotovillamos rendszerre épül energiaellátó rendszer a napsugárzás nagy éves ingadozása miatt nagy mennyiségü napelem alkalmazását igényli. Ugyanez igaz egy olyan fotovillamos rendszerre is, amely nagy rendelkezésre állást biztosít. Emiatt a hibrid rendszer néven ismert, többféle generátortípust tartalmazó rendszerek terjedtek el. A fotovillamos generátorok dízelgenerátorokkal való kombinálása a villamos hálózattal egyenérték energiabiztonságot ad (5. ábra). PV elemek (napemek) Töltés szabályozó Akkumulátor inverter Házi villamos hálózat generátor Akkumulátor tölt 5. ábra: fotovillamos elemekbl és motorgenerátorból álló hibrid rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Ha a napsugárzás megfelel, a napelemek környezetkímél módon képesek a teljes energiaigény kielégítésére, káros-anyag kibocsátás és zaj nélkül. A többletenergiát akkumulátorok tárolják el, amelybl éjszaka, vagy rossz id esetén fedezhet az 6
energiaigény. Amikor fennáll az akkumulátorok mélykisülésének veszélye, dízel-, vagy cseppfolyósított petróleum üzemanyagú gázmotor generátort indítanak az energiaigény fedezésére és egyidejleg a lemerült akkumulátorok feltöltésére. PV elemek (napelemek) Töltés szabályozó szélturbina Akkumulátor tölt akkumulátor inverter Házi villamos hálózat generátor Akkumulátor tölt 6. ábra: Fotovillamos elemekbl, szélgenerátorból és motorgenerátorból álló hibrid rendszer elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Szeles területeken szélturbina is csatlakoztatható a rendszerhez (6. ábra). Mivel megfelel tervezés esetén a fotovillamos és a szélgenerátor nagyon jól kiegészítik egymást ilyen rendszernél a motorgenerátor mködési ideje csökkenthet, és így a fosszilis energiafelhasználás minimalizálható. A jövben a PV hibrid rendszerekben a tüzelanyagcella is használható /3/. Ha a fogyasztó teljesen függetlenné akar válni az üzemanyag ellátástól és teljesen autonóm rendszert akar, egy elektrolizálót és egy hidrogéntárolót kell a rendszerbe integrálni (7. ábra). Nyáron, amikor a fotovillamos elemek többlet energiát termelnek, akkor az akkumulátorok teljesen feltöltöttek, és az elektrolizáló hidrogént termel, amit tárolnak és télen a tüzelanyagcellában felhasználnak. 7
PV elemek (napelemek) Töltés szabályozó inverter Villamos hálózat akkumulátor Tüzelöanyag cella Töltés szabályozó Hidrogén tároló rendszer Elektrolizáló egység 7. ábra: Fotovillamos elemeket és éves hidrogéntároló rendszer kombinációját tartalmazó autonóm energiaellátó rendszer (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 5.3 Hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek A fotovillamos rendszerek a megtermelt villamos energiát egy inverteren keresztül az villamos hálózatba tudják táplálni. Ennek az elnye, hogy nincs szükség tárolóegységre (akkumulátorra), mert a megtermelt energia máshol is felhasználható, s ezáltal a hagyományos ermvek energiatermelése csökkenthet. A hálózatra termelt energiából a napenergia részesedése jelenleg kicsi, de az elrejelzések fontos szerepet jósolnak neki. Az állami támogatási rendszerek (mint például a 100000 tet program Németországban) keretében a hálózatra termelt energia ellenértéke fedezi a költségeket, és jogi keretek (mint például a német Megújuló Energia Törvény) elsegítik az ilyen rendszerek piacra jutását. Ha a kis, elosztott rendszerek által a hálózatra termelt energia kompenzációja alacsonyabb a hálózatról kivett energia áránál az inverter a megtermelt energiát a hálózat helyett közvetlenül a ház villamos hálózatába vezeti (8. ábra). 8
ház villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter energia betáplálás a villamos hálózatba energia fogyasztás villamos hálózat 8. ábra: Kis, elosztott fotovillamos rendszer, ami a ház hálózatát táplálja (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Napfényes idszakban a rendszer a ház villamos fogyasztóit látja el energiával, és a többletenergia egy mérórán át az villamos hálózatba kerül. Rossz id esetén és éjjel a háztartásba szükséges villamos energiát a hálózatokból nyerik. Ilyen típusú rendszerek közelítleg néhány kwp teljesítmények. Ha a napenergiás rendszer által termelt, és a hálózatba táplált energia kompenzációja nagyobb, mint a hálózati villamos energia ára, a rendszert a 9. ábra szerinti elrendezésben tervezik. 9
ház villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter energia betáplálás a villamos hálózatba energia fogyasztás villamos hálózat 9. ábra: Közvetlenül a hálózatra dolgozó kis, elosztott fotovillamos rendszer (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). A fotovillamos rendszerek moduláris felépítése lehetvé teszi nagy, hálózatra kapcsolt fotovillamos ermvek építését. Ezek a rendszerek inverter segítségével közvetlenül a közép-vagy nagyfeszültség hálózatba táplálják az energiát. Villamos hálózat PV elemek (napelemek) Inverter 10. ábra: Fotovillamos erm elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 5.4 A fotovillamos alkalmazások szerepe az elosztott hálózatokban Az európai energiapiac újraszabályozása a villamos energia elállítása, elosztása és kereskedelme terén sokkal nagyobb versenyhelyzetet teremt. A villamos hálózatok hozzáférhetsége, és adott feltételek esetén a hálózat harmadik fél számára biztosított használata új szereplk megjelenését eredményezi a piacon, akik viszont a jelenlegi trendet, az villamos energia elosztott termelését ersítik. Ebben a folyamatban a fotovillamos rendszerek az új ellátó rendszerek elemeivé válhatnak. A 11. ábra egy példát mutat arra, hogy a jövben hogyan nézhetnek ki az elosztó rendszerek elosztott villamos generátorokkal. 10
atomerm nagyméret vízerm széntüzelés erm nagy feszültség hálózat középfeszültség hálózat Kisfeszültség hálózat PV ház villamos hálózat ház villamos hálózat szélenergia nagy méret PV generátor (napelem) tüzelanyag cella akkumulátor PV generátor (napelem) CHP (kombinált h- és villamos energia termel egység) 11. ábra: Elosztott generátorokkal táplált jövbeli energiaellátó hálózat elvi felépítése (Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 6 Példák fotovillamos energiaellátó rendszerekre A fotovillamos elemek gyakorlatilag elnyhetetlenek, mivel nincs mozgó alkatrészük. A kristályos szilícium cellák hatásfoka évtizedeken át stabil érték. Emiatt a fotovillamos rendszer hosszú élettartamú és kevés karbantartást igényel. Ahogy már a korábbiakban is említettük, a fotovillamos rendszer modularitása miatt az összes többi villamos generátornál szélesebb kimen teljesítmény tartománnyal rendelkezik. A fotovillamos rendszer környezetbarát, mert a napfényen kívül nem igényel üzemanyagot. Az alábbiakban bemutatott példákkal azt kívánjuk bemutatni, hogy milyen változatos és látványos alkalmazási lehetségei vannak a fotovillamos energia ellátásának. 11
6.1 Hálózat nélküli, beltéri alkalmazások 6.1.1 Fotovillamos energiával mködtetett konyhai mérleg A 12. ábrán bemutatott villamos háztartási mérleg elem és villamos csatlakozó nélkül mködik. Nincs szükség akkumulátorra, mert az energiatermelés és felhasználás egyidej, a folyadékkristályos kijelzt ugyanis sötétben úgysem lehet leolvasni. Az amorf szilícium cellákat a mérleg házába integrálták, hogy védve legyenek. Igen látványosak. 12. ábra: Fotovillamos energiaellátású villamos konyhai mérleg (Fotó: Soehnle-Waagen GmbH + Co.KG, Murrhardt, Germany). 6.1.2 Napenergiás habver A 13-as ábrán látható habver tejszínhab, tej, italok és salátaöntetek keverésére és felverésére szolgál. Napközben az ablak közelébe helyezve a beépített akkumulátor feltöltdik, és így tetszleges idpontban használható. 12
13. ábra: Napenergiás habver (Fotó: Solarc, Berlin, Germany). 6.2 Kültéri hálózat közeli és hálózattól távoli alkalmazások 6.2.1 Akkumulátortölt vaku akkumulátorokhoz A 14. ábrán látható akkumulátortölt különböz villamos eszközök akkumulátorainak töltésére alkalmas. Az akkumulátorok belül, a burkolat védelmében vannak. Három LED jelzi ki az ólomakkumulátorok állapotát. Amikor az akkumulátorok feltöltdtek, kiemelhetk a házból, és a vakuba helyezhetk. Így a profi vagy amatr fotósoknak a hálózattól távoli helyen sem kell vaku nélkül képeket készíteniük. 13
14. ábra: Fotovillamos akkumulátortölt vakuhoz (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 6.2.2 Napenergiás világító házszámok Sok információnak olvashatónak kell lenni éjszaka is. Ezért a mentk, a rendrség, a tzoltók régóta igénylik az utcanevek és házszámok éjszakai világítását. 15. ábra: Fotovillamos energiaellátású világító házszámtábla (Fotó: LiSol, Deizisau, Germany). 14
A házszámtábla napenergiás kivilágítása (lásd 15. ábra) ólomakkumulátorban tárolja a napközben összegyjtött energiát. Amikor besötétedik, a kivilágítás automatikusan bekapcsol, majd másnap reggel automatikusan kikapcsol. Az egész folyamat és az akkumulátor állapota elektronikusan szabályozott, így a rendszer teljesen automatikus és karbantartásmentes. A világító felület floureszkáló, amelynek fényelnyelése és visszaverése napközben is könnyen olvashatóvá teszi a feliratot. A világításra LED-et (fénykibocsátó dióda) használnak. A házszámtábla csak egy példa a világító alkalmazások lehetségére, de rengeteg egyéb lehetség is van, pl. nagyobb útjelz táblák, utcanevek, reklámtáblák. 6.2.3 Napenergiás segélyhívó telefon és információs rendszer A 16. ábrán látható segélyhívó telefon és információs rendszer utak mellé, városokban, buszmegállókban és pihenövezetekbe telepíthet. 16. ábra: Fotovillamos energiaellátású segélyhívó telefon és információs rendszer (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Az eszköz egyrészt rádiótelefonként mködik, másrészt információkat (pl. közlekedési, idjárási adatok) továbbíthatók vele a telepítés helyszínérl a központba. Egy energiaellátó rendszer látja el a segélyhívó telefont és az érzékelket feszültséggel, amely szükség esetén kikapcsolja a nem kritikus fogyasztókat, ha nincs elég energia. /4/. Az energiaellátó rendszer használatának a célja a segélyhívó telefon megbízható mködésének biztosítása. 15
6.2.4. Fotovillamos energiával mködtetett átjátszó-adó Az átjátszó adók általában látótávolságban kell hogy legyenek egymástól, a hálózattól távoli területeken is. Ebben az esetben azonban az villamos hálózathoz csatlakozás bonyolult és drága, emiatt az energiaellátásra egyre több helyen fotovillamos rendszert használnak.(17. ábra) 17. ábra: Fotovillamos energiaellátású rádióátjátszó torony az Egyesült Államok délkeleti részén (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 6.3 Hálózat nélküli lakossági alkalmazások 6.3.1 Házi napenergiás rendszerek Az Európai Unió becslései szerint világszerte 2 milliárd ember lakhelyén nincs hálózati villamos energia ellátás, és a fele olyan területeken él, ahol egyáltalán nincs villamos hálózat./5/. A nagy beruházási költségek miatt alacsony fogyasztás esetén (kevesebb, mint 1 kwh naponta) még középtávon sem várható ezeknek a gyéren lakott területeknek villamos hálózattal való ellátása. A tapasztalatok szerint ilyen esetben a kis teljesítmény házi napenergiás rendszerek adják a legjobb megoldást a háztartás alapigényeinek (világítás, információs eszközök) ellátására. 16
Ennek a megoldásnak külön elnye, hogy távoli házak saját energiaellátással rendelkeznek. Így az energiatermel rendszer egyedileg méretezhet és szükség esetén bvíthet /6,7/. A 18. ábrán a házi napenergiás rendszer napelem moduljai láthatók egy indiai és egy mexikói példán. 18. ábra: Házi napenergiás rendszer Zanskarban, (India baloldali kép) és Boquillas del Carmenben, (Mexikó) (Fotók: Reinhard Brender, Badenweiler, Germany and Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Egy egyszer napház rendszer egy fotovillamos generátort, akkumulátort és töltésszabályozót használ. A fogyasztók, mint pl. kompakt fénycs, rádió vagy egy kisebb tv, közvetlenül kapcsolódik az egyáramú hálózatra. Két tényez kritikus a napház rendszerek mködésben tartásához: az els a különböz összetevk technikai minsége, a második a felhasználók bevonása a tervezés, felépítés és mködtetés fázisába. 6.3.2 Fotovillamos energiaellátású szivattyúk Sok közterületen (parkok, temetk és állatkertek) vannak szökkutak, amelyekben a víz rendszerint kering és nem a hálózatról kap folyamatosan friss vizet. A víz keringetését biztosító szivattyú mködtetéséhez csak néhány szabványos fotovillamos modul szükséges. Mivel a víz keringetésre rossz id esetén illetve éjjel rendszerint nincs szükség, ezek az alkalmazások akkumulátor nélkül mködtethetk. A fotovillamos modulokat vagy közvetlenül a szivattyúra kapcsolják, vagy átalakítót használnak (19. ábra). 17
19. ábra: Fotovillamos energiával mködtetett szökkút Freiburgban (Németország) (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 20. ábra: Víztisztító állomás Balde de Sur de Chucuma faluban, Argentina (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 18
Vidéki területeken a fotovillamos rendszert sokszor használják szivattyúzásra, vízkezelésre és víztisztításra. A 20. ábra egy ilyen alkalmazást mutat be Balde de Sur de Chumcuma településében, Argentínában. A két fotovillamos modul a víztisztításhoz és a világításhoz szolgáltat energiát. A szélgenerátor szivattyúzza fel a vizet a tárolóba. 6.3.3 Házak, menedékházak és kis települések fotovillamos energia ellátása Európában számtalan ház és hegyi menedékház van, amelyek túl távol vannak a hálózattól ahhoz, hogy gazdaságosan csatlakoztathatók legyenek. Ezen háztulajdonosok számára az egyetlen lehetség eddig saját generátor telepítése volt, amely rendszerint dízel generátor telepítését jelentette. Rendszerint a dízelgenerátorok közvetlenül a fogyasztókat látják el villamos energiával, és ez azzal jár, hogy gyakran csak részleges terheléssel mködnek, ugyanakkor nincs villamos energia, ha a motort kikapcsolják. Emiatt az állandó energiaellátáshoz ezen generátorok folyamatos mködtetése nem ésszer a részleges terhelés miatti alacsony hatásfok, a zaj és a káros-anyag kibocsátás miatt, nem is beszélve a belségés motorok véges élettartamáról. Az egész évben üzemel Rotwand House (21. ábra) jó példa a fotovillamos modulokból, szélturbinából és dízel generátorból álló hibrid energiaellátó rendszerrel üzemeltetett épületre. A rendszer megbízhatóan képes ellátni az épületet villamos energiával. 21. ábra: Rotwand House menedékház fotovillamos modulokkal és szélgenerátorral (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). A tetre szerelt fotovillamos modulok környezetkímél módon (zaj és káros-anyag kibocsátás nélkül) alakítják át a napenergiát villamos energiává. Elegend napsugárzás esetén az villamos eszközök mködtetésén felül termelt többletenergiát akkumulátorokban tárolják, amelybl az energiát rossz id esetén és éjjel visszanyerik. 19
Megfelel szélersség esetén a szélturbinák is villamos energiát termelnek, és akkumulátort töltenek. Ha az akkumulátorok teljesen feltöltdtek, ers szélben a szélturbinák energia termelését csökkentik. Az egyenáramú energiát egy inverter alakítja át 230V-os váltakozó feszültséggé így a hagyományos villamos eszközök használhatók. Rossz id esetén egy dízelgenerátor biztosítja az energiaellátást. Hogy az energiaellátó rendszer a legoptimálisabban mködjön, számítógép figyeli és vezérli az egész rendszert. 6.4 Kisméret, hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek Ha azt feltételezzük, hogy egy négytagú család évente átlagosan 4500 kwh villamos energiát fogyaszt, akkor mintegy 45m 2 felület napelem modul tudná fedezni ezt az energiaigényt. Ekkora szabad tetfelület bármelyik családi ház tetején rendelkezésre áll. Ráadásul a napelemek helyettesítik a hagyományos építelemeket, mint pl. tetcserép, homlokzati burkolóanyag, s ezzel új elemeket nyújt az építészeknek. Németországban több mint 50000 ilyen elosztott, hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszert telepítettek tetkön vagy homlokzatokon napjainkig. A 22. ábrán erre láthatunk egy példát. 22. ábra: Tetre szerelt, hálózatra kapcsolt fotovillamos energia ellátó rendszer (Kirchzarten, Németország), (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). Bár a fotovillamos modulok függleges telepítése csökkentett energiatermeléssel jár, a homlokzatok - különösen a presztízssel rendelkezk fotovillamos modulokkal való felszerelése érdekes alkalmazás marad. A 23. ábrán a Freiburgi (Németország) vasúti fpályaudvar toronyépülete látható. Az épület déli homlokzatára modulokat szereltek. A Naptorony homlokzatának bal oldala 246 modult tartalmaz, 34,4 kwp teljesítménnyel. Az évi energiatermelés kb. 24 MWh. 20
23. ábra: A Freiburgi fpályaudvar épülete (Freiburg, Németország), a Naptoronnyal a középpontban (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 6.5 Hálózatra kapcsolt fotovillamos ermvek Számos fotovillamos erm épült napjainkig (1. táblázat). Ezen ermvek célja ilyen jelleg ermvek mködésének igazolásától a fotovillamos és a hidrogén technológia közös használatának tanulmányozásáig terjed. A 24. ábrán a Neurath Lake-ben (Németország) épült kísérleti erm fotovillamos moduljainak egy részletét mutatja. 24. ábra: Az RWE fotovillamos ermve (Neurath Lake, Németország) (Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany). 21
Típus Helyszín teljesítmény Erm, hálózatra kapcsolt Chur, Svájc 100 kw Erm, hálózatra kapcsolt Neurath Lake, Németország 360 kw Erm, hálózatra kapcsolt Stuttgart, Németország 435 kw Erm, hálózatra kapcsolt Toledo, Spanyolország 1 MW Erm, hálózatra kapcsolt Herne, Németország 1 MW Erm, hálózatra kapcsolt Munich Fair, Németország 1 MW Erm, hálózatra kapcsolt Haarlemmermeer, Hollandia 2.3 MW Erm, hálózatra kapcsolt Hemau near Regensburg, Németo. 4 MW PV/szél/biogáz hibrid rendszer Fehmarn, Németország PV: 140 kw PV/szél hibrid rendszer Pellworm, Németország PV: 600 kw 1. táblázat: Nagyméret, hálózatra kapcsolt fotovillamos ermvek. 7 Összefoglalás A bemutatott példák igazolják, hogy a hagyományos energiaellátó rendszerek sok esetben helyettesíthetk fotovillamos energia ellátással. Ráadásul azon a helyen, ahol a villamos hálózatra csatlakozás költséges lenne, a fotovillamos rendszer gyakran a leggazdaságosabb alternatíva. A hálózattól való függetlenségen túlmenen a fotovillamos rendszernek sok egyéb elnye is van: könny mködtethetség, alacsony karbantartási költség és kisebb környezeti hatás az akkumulátorok fotovillamos berendezéssel helyettesítésébl adódóan. A hálózat nélküli rendszereknél a fotovillamos elemeknek más típusú generátorokkal való párosítása, nagy ellátási biztonságot képes biztosítási, még olyan helyeken is, ahol a napenergia hozam változékony. Az ebbl adódó költségek ellenére a hálózattól távoli helyszínek energiaellátása így még mindig gazdaságosabb, mint a villamos hálózat kiépítése. Végül említésre érdemes a már meglév területek, felületek fotovillamos energia átalakításra való felhasználhatósága. Például a parkolóházak lapos teteje, sportcsarnokok, stadionok éppúgy alkalmasak fotovillamos modulok telepítésére, mint az utak, vasutak zajvéd falai, vagy a nagyobb középületek homlokzatai. 22
Ezen esetekben a legfontosabb tényez, hogy nem kell újabb területeket elfoglalni, és a meglév szerkezetek használata költségkímélést jelent. A hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek jelenleg talán még gazdaságilag nem versenyképesek, de hatalmas technikai potenciált jelentenek. A fotovillamos energia felhasználása valószínleg a kis és nagyfogyasztók között is növekedni fog. A terjedés gyorsasága végs soron a fotovillamos rendszerek tervezinek, építinek és mködtetinek szakértelmétl függ. 8 Irodalom /1/ A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch; Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner Studienbücher, Stuttgart, Germany, 1994 /2/ A. Goetzberger, V. Wittwer; Sonnenenergie Physikalische Grundlagen und thermische Anwendungen, Teubner Studienbücher, Stuttgart, Germany, 1996 /3/ J. Benz, B. Ortiz, W. Roth, D. U. Sauer, A. Steinhüser; Fuel Cells in Photovoltaik Hybrid Systems for Stand-Alone Power Supplies, Proceedings 2 nd European PV-Hybrid and Mini-Grid Conference, Kassel, Germany, 2003 /4/ W. Roth, H. Schmidt, W. Schulz, A. Steinhüser; Photovoltaic Power Supply for Telecommunication Network Components in Remote Areas, Proceeedings TELESCON 2000, Dresden, Germany, 2000 /5/ W. Palz; Power for the world a global photovoltaic action plan, Solar Europe Newsletter, Kommission der Europäischen Gemeinschaften, DG XII, 1993 /6/ P. Schweizer, J. N. Shresta; What can solar electricity provide for the Himalayan society? The case of Nepal, 13 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Nice, France, 1995 /7/ Successful User Schemes for Photovoltaic Stand-Alone Systems, European Commision DG XVII, 2000 23