A napelem cellák vizsgálatának kutatási eredményei 2008. december 17. szerda, 15:45 Az utóbbi évek folyamán elıtérbe került a megújuló energiaforrások használata. A vitathatatlan elınyök mellett megjelentek felhasználói problémák. Ezek vizsgálatára a Kandó Kálmán Villamosmérnöki Fıiskolai Karon megalakult az EKH kutatóhely, amely azt a célt tőzte maga elé, hogy segítse az építészeket azzal, hogy támpontot nyújtson igényes terveik kialakításához. Elsıdleges feladatunknak tekintettük a napenergiával - a hazai idıjárási feltételek mellett - megtermelhetı villamos energia mennyiségének meghatározását. Ezért egy olyan mérırendszer felállítása mellet döntöttünk, amely alkalmas a különbözı tájolású és dılésszögő napelem cellák vizsgálatára. A mérırendszerünk képes 38 darab, a Dunasolar által gyártott DS40-es napelem cella (1.ábra) együttes vizsgálatára. A napelem cella amorf-szilícium gyártástechnológiával készült, névleges teljesítménye 40W, amely elsısorban épületenergetikai felhasználást tesz lehetıvé. A tábla esztétikus megjelenésével is az építészeti alkalmazást szolgálja. 1.ábra A vizsgálat fıbb szempontjai, melyek meghatározzák a mérırendszer kialakítását, kiépítését: A degradáció meghatározása. (Az amorf-si technológia sajátossága a gyártás utáni - öregedés miatti - teljesítménycsökkenés., Mértéke és idıbeli változása lényeges a
táblát gyártók szempontjából, mert az energiatermelés idıvel csökken.) Az energiatermelési mutatók értékeinek meghatározása. (Tényleges idıjárási körülmények között - szennyezıdés, felhı, köd stb. - a cellák energiatermelése nagymértékben eltér az ideálistól. Szórt fény hatása az energiatermelésre. (A környezeti tárgyak-, épületek elhelyezkedése, a felületük minısége, színe döntı hatással van a szórt fény mennyiségére, és ezáltal az energiatermelésre.) Üzemi hatásfok tájolástól, dılésszögtıl, meteorológiai viszonyoktól függı meghatározása. (Az üzemi hatásfokot mindig egy referencia táblasorhoz viszonyítva számoltunk, így relatív értékei csak arra a tájolásra és dılésszögre vonatkoznak, de ezen módon a különbözı elhelyezéső táblák eredményei egymáshoz viszonyíthatók. Termelési hatásfok változása.) Ezen szempontok szerint felépített mérırendszer kialakítása és mőködése: A rendszer a karakterisztika meghatározásához úgy méri az egyes napelem cellákat, hogy egyenként egy reléállomás változtatható terhelést kapcsol rájuk. A változtatható terhelés jelen esetben egy MOS-FET tranzisztor. A számítógép a tranzisztort vezérli és rajta keresztül a vele összekapcsolt napelem cellát különbözı munkapontokba (2. ábra) kényszeríti, rögzítve az adatokat felveszi a cella karakterisztikáját. 2.ábra Az így végigjárt karaktersztikából a mérıprogram kiválasztja a munkapontot - a legnagyobb görbe alatti terület - és ezt az értéket letárolja. A mérési ciklus 2 percenként ismétlıdik. A mért adatok mindig 1 db DS 40-es napelem cellára vonatkoznak. A rendszer fontos részét képezik a referenciamodulok, ezek mind déli tájolású 45 -os dılésszögő napelem cellák (3. ábra). Ezekhez hasonlítjuk a különbözı tájolású és dılésszögő napelem cellák által termelt energiát. A referenciamodulok - a villamos paramétereik alapján - párba vannak válogatva a hozzájuk tartozó napelem cellákhoz (egyenkénti válogatással), úgy hogy az esetleges gyártásból adódó teljesítménykülönbségeket, és evvel a mérési
pontatlanságot minimálisra csökkentsük. A rendszer fontos része a hı és fényérzékelı szenzor, mely segítségével szerzünk pontos képet az idıjárási viszonyokról. A mérés két telephelyen folyt, elıször a 2002-tól Dunasolár gyártelepén. Itt kb. 2éves idıszakról van eredmény, majd a fıiskola C épületének tetején folytatódott tovább a mérés 2004 novemberétıl. A rendszer által mért adatok: 3.ábra A mérırendszer elvi kapcsolása Miután elegendı mérési adat állt a rendelkezésükre, hozzá láthattunk az értékelésükhöz. Az adatokat több szempont alapján értékeltük: - Kerestük a maximális villamos teljesítményt adó tájolást. A maximális energiát adó tájoláson belül a maximális energiát adó dılésszöget, valamint téli idıszakban a legnagyobb energiát adó dılésszöget. Téli idıszakban a dılésszög ismerete - a szigetüzemő energiaellátó rendszerek tervezésénél - fontos, mivel itt a téli energiatermelés maximuma mérvadó. A számunkra fontos, kiemelten kezelt tájolású és dılés szögő (0, és 90 ) napelem cellák energiatermelési mutatóinak meghatározása. A mérési eredmények értékelése: A mérési eredményekbıl megállapítható, hogy a déli tájolású napelem cellák termelik a legtöbb energiát, ez az eredmény várható is volt. Viszont az ideálistól eltérı tájolású cellák energiatermelése - (DNY;DK) vagy esetleg még szóba jöhetı (NY;K) tájolású cellák - csak igen kis mértékben kisebbek. Az eltérés kb. 5% DNY;DK esetében, NY;K elhelyezésnél pedig kb. 10%
4.ábra Az ideális tájoláson belül a maximális energiatermeléssel rendelkezı dılésszög 30 környékére adódik. A téli energiatermelés maximuma 60 környékére esik. Az eltérés a téli, illetve nyári napállás különbözıségébıl adódik. Ez jól látható a mérési eredményekbıl készült diagramból is (5. ábra). Említést érdemel még a 90 -os táblához tartozó görbe, mert irodaépületek üvegfalába elhelyezett cellák esetén - az energiatermelést is figyelembe véve - a költség vetekedhet az egyéb üvegfalakkal. Nagy darabszámnál, speciális napelemes konstrukciók, költséghatékony megoldások születhetnek (pl. a hıszigetelı üvegburkolat külsı üvegtáblájának napelemekre történı cseréje). 5. ábra Számunkra kiemelt dılésszögek és tájolások vizsgálata: 6. ábra
A 6. ábrán a 90 -os és a 0 -os napelem cellák energiatermelési mutatóit igyekeztünk megjeleníteni. Az eredményeink azt mutatják, hogy a 90 -os dılésszöggel elhelyezett cellák a déli 45 -osnál ugyan kevesebb energiát termelnek, de miután épületburkolatként szóba jöhetnek az ilyen elhelyezéső napelemtáblák, ezért mindenképpen jobban meg kívántuk vizsgálni ezen elhelyezési lehetıségeket is. A D90 napelemtábla az energiatermelés szempontjából a legkedvezıbb, de ha ettıl eltérünk (DK90 ;DNY90 ) akkor a 6. ábrán jól látszik, hogy minimális termelésbeli csökkenéssel kell számolnunk. A 6. ábra diagramja 2 éves mérési eredmények átlagából készült. 0 -os napelemcella viszonylag sok villamos energiát termelt. Ennek az az oka, hogy reggeltıl estig éri a táblát a napsugárzás. A tábla szempontjából ez az elhelyezés azért lehet problémás, mert megnövekszik a sérülékenysége és a szennyezıdések is jobban befolyásolják az energiatermelést. Ez az elhelyezés akkor ajánlott, ha a napelem cellák védett helyen vannak (pl. egy üvegtetı alatt, vagy egyéb funkciót is betöltenek, célszerően árnyékolást ), vagy ha más elhelyezésre nincs (vagy csak nagyon körülményesen) adódik lehetıség. A degradációról - amely a Dunasolárnak volt igen hasznos információ - megállapítható, hogy kb. 3 hónap alatt áll be egy állandósult érték és utána a tábla energiatermelése számottevıen már nem csökken. A jelenség figyelembe vétele a cellák teljesítményének növelésével oldható meg, azaz túlgyártással védekeznek. A gyártósort elhagyó terméknek minimum 44W-osnak kell lennie, és így garantálhatóvá vált a hosszú távú 40W-os teljesítmény. A szórt fény hatásának vizsgálatára is lehetıségünk nyílt, mivel két merıben különbözı helyen folyt a mérés. Pontos számszerő következtetések nem vonhatók le, mert nem egy idıben vizsgáltuk a cellákat. Igyekeztünk azonos paraméterő idıszakokat figyelembe venni. A fényérzékelı szenzor adatai alapján olyan idıszakot, - 6 hónapot - választottunk ki, ahol a két helyszínre érkezı, azaz besugárzott napenergia átlaga jó egyezést mutat. A két helyszín merıben különbözı. A fıiskola teteje egy matt fekete gumiborítású lapos tetı (igen kis mennyiségő napfény visszaverıdés), míg a Dunasolár gyártelepe egy füves nyitott gyárudvar (nagyobb visszaverı képesség). A két helyszín között csak minimális energiatermelési különbség van, tehát megállapítható, hogy a cellákat csak nagyon kis mértékben befolyásolja a szórt fény. (7. ábra)
7. ábra Az adatok értékelésébıl azt a következtetét vontuk le, hogy egy napelemes energiatermelı rendszer telepítésekor nem szabad minden áron az ideális tájolásra és dılésszögre törekednünk. Ha az ideális nagyon körülményesen valósítható meg, kis veszteséggel megfelelı a tárgyalt más elhelyezés. Egy épület esetében fontos szempont az esztétika. Ezt egy mőszaki szempontból tökéletes tartószerkezet ronthatja, ezért törekedni kell a napelemek minél jobb épületszerkezeti integrálására, még ha ezzel el is térünk az ideálistól. Ha figyelembe vesszük, hogy a napelemek szerkezeti integrálásával a külön tartószerkezetet spórolhatjuk meg, az evvel elért megtakarítást további napelemekre költhetjük. Távlati terveink, lehetıségeink: - A mérések folytatása az eddigi eredmények igazolására, mert pontos következtetéseket csak több éves mérési eredmény birtokában vonhatunk le. - Továbbá a mérırendszereink fejlesztése, az esetleges mérési pontatlanságok kiszőrése, és újabb mérési eljárások keresése. - Más táblatípusok (poli, mono-kristályos) bevonása az adatgyőjtésbe.