Műszaki Elvek

Különböző napelemes áramellátó megoldások léteznek, de egy közös jellemzőjük van: a villamos energiát minden esetben napelem (fotovoltaikus elem) állítja elő. A napelem által előállított feszültség egyenfeszültség, nagysága a napelem modulokban összekapcsolt napelem cellák számától függ, jellemzően 12-65V között van. A napelem nem tévesztendő össze a napkollektorokkal (síkkollektorok, vákuumcsöves kollektorok, stb.). Míg a napkollektorok melegvíz előállítására szolgálnak, a napelemek egyenfeszültségű villamos energiát állítanak elő.

I. Napelem

A napelem definíciója:

A napelemek olyan szilárdtest eszközök, amelyek a fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítják. Az energiaátalakítás alapja, hogy a fény elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít. Az 1-es ábrán látható a napelem áram-feszültség karakterisztikája (zöld görbe). Látható, hogy a napelem maximális árama egy bizonyos feszültség értékig állandó, majd ezen érték felett csökken, letörik. Az áram-feszültség szorzatából adódik a napelem teljesítménye (piros görbe). A teljesítmény görbén látható, hogy egy meghatározott pontban van a maximuma (ez az optimális munkapont) attól eltérő munkapontban a leadott teljesítmény csökken. Ezért fontos az üzemeltetés közben mindig az optimális munkapontban használni a napelemünket. Ez a munkapont függ elsősorban a megvilágítás mértékétől (napsütés), továbbá a környezeti hőmérséklettől, a napelem állapotától, életkorától, stb. A napelemekhez csatlakozó töltésvezérlők vagy inverterek egyik legfontosabb jellemzője az optimális munkapont követési (MPPT) képesség, a napelemből kinyerhető maximális teljesítmény érdekében.

Alapvetően kétféle napelemes rendszert különböztetünk meg:

• szigetüzemű rendszer
• hálózatra tápláló rendszer

1.A szigetüzemű napelemes energiaellátó rendszer

Szigetüzeműnek nevezzük azokat a villamos energia ellátó rendszereket, amelyek nem kapcsolódnak közvetlenül a közcélú áramszolgáltatói hálózatra, hanem attól független (elszigetelt) energiaellátást biztosítanak.
A szigetüzemű napelemes áramellátó rendszereknél minden esetben szükség van egy energiatárolóra (általában akkumulátor) a folyamatos energiaellátás biztosítása érdekében.

A szigetüzemű napelemes áramellátó rendszer blokkvázlata az 1-es ábrán látható. A rendszer főbb elemei:

• Napelemek

Ezek lehetnek monokristályos, polikristályos, amorf szilícium, stb. napelemek

• Napelemes töltésvezérlő

Ez az eszköz gyakorlatilag egy DC/DC konverter, amelynek a bemenete képes az alkalmazott napelemek optimális munkapont követésére, a kimenete pedig egy akkumulátor töltő karakterisztikával rendelkezik.

• Akkumulátorok az energia tárolására

Mivel a napelem által termelt pillanatnyi energia nagymértékben függ az időjárástól, napsütéstől, továbbá az energia felhasználása időben nem feltétlenül esik egybe a megtermeléssel, ezért van szükség az energia átmeneti tárolására. A tárolásra a gyakorlatban általában zárt savas ólomakkumulátorokat alkalmaznak.

• DC/AC inverter

Az inverter feladata az akkumulátor egyenfeszültségéből a hálózati váltakozó feszültség előállítása. Ez egy általános inverter, nem pedig ún. „napelemes” (szolár) inverter. Ezen inverter kimenete csak a rákapcsolt fogyasztókhoz csatlakozhat, hálózati visszatáplálásra nem alkalmas.

A szigetüzemű napelemes áramellátó rendszerek nagyon jó alternatív villamos energiaellátó rendszerek lehetnek olyan helyeken, ahol nincs vezetékes hálózat (pl. erdészházakban, tanyákon, stb.)

Olyan helyen, ahol van vezetékes áramszolgáltatói hálózat, a szigetüzemű rendszer kiegészíthető egy átkapcsolóval, amely a hálózati fogyasztókat a napelemes energia rendelkezésre állásakor az inverter kimenetére, ellenkező esetben a hálózatra kapcsolja (hálózat interaktív rendszer). Ez a kapcsoló legegyszerűbb esetben lehet egy kézi működtetésű kapcsoló vagy automatikus vezérlésű átkapcsoló (pl. mágneskapcsolók). Hátránya ezeknek az átkapcsolóknak, hogy minden esetben az átkapcsolás nem megszakításmentesen történik, ezért a rendszer kimenetére kapcsolt fogyasztók (pl. számítógép, TV, DVD, stb.) az átkapcsoláskor leállnak.

Igényesebb esetben az átkapcsoló lehet egy statikus kapcsoló, amely megszakításmentes átkapcsolást tesz lehetővé az inverter kimenete és a hálózat között. Természetesen ez jóval költségesebb megoldás.

Egy szigetüzemű rendszer kimenete semmilyen esetben sem csatlakozhat közvetlenül az áramszolgáltatói hálózatra, nem táplálhat vissza!

Olyan helyen azonban, ahol van vezetékes áramszolgáltatói hálózat, ott nem érdemes szigetüzemű rendszert létesíteni, mert összességében az sokkal költségesebb lesz, mint egy hálózatra visszatápláló rendszer, és még a legjobb akkumulátorokat is maximum 4-5 évenként le kell cserélni (gyakorlatilag mindennapi töltés- kisütésnek vannak kitéve), ami jelentős többletköltséget is jelent. Továbbá az akkumulátorok energiatárolási hatásfoka maximum 70-80%, a DC/DC konverter és a DC/AC inverter együttes hatásfoka is jóval alacsonyabb, mint egy hálózati inverteré, ezért ugyanannyi hálózati energia előállításához minimum 30%-al több napelemre van szükség, mint egy hálózatra visszatápláló rendszernél!

2.A hálózatra visszatápláló rendszer (grid-connected)

A hálózatra visszatápláló rendszernél a napelemeken és a napelemes inverteren kívül nincs szükség semmilyen más eszközre. A hálózatra csatlakozás természetesen minden esetben áramszolgáltatói bejelentés és engedély köteles, de ez egy minősített inverternél (pl. SIEL-SIAC SOLEIL inverter család) ma már egyszerű dolog.
Egy megfelelő minősítéssel rendelkező hálózatra visszatápláló napelemes inverter esetében nincs szükség semmilyen további eszközre, az inverter kimenete közvetlenül csatlakoztatható (teljesítménymérőn keresztül) az áramszolgáltatói hálózatra.
Egy hálózatra visszatápláló rendszer viszont semmilyen körülmények között nem működhet szigetüzemben, így alternatív energiaforrásnak nem használható (pl. áramszünet esetén nem működik!).

A hálózatra visszatápláló rendszereknél az összes megtermelt villamos energia mérésre kerül az áramszolgáltató által felszerelt hitelesített mérővel.
A jelenleg hatályos Villamosenergia Törvény szerint 50kVA-ig van lehetőség ún. éves szaldós elszámolás választására. A megtermelt villamos energiát (éves szinten) levonják az elfogyasztott villamos energiából (szaldós elszámolás) és csak a különbözetet fog kelleni kifizetni (Egyáltalán nincs tárolási veszteség, nincsenek akkumulátorok, nincs töltésvezérlő!).
Ez azt jelenti, hogy ha például egy háztartás elfogyaszt egy évben 3200kWh villamos energiát, és a saját napelemes rendszerével megtermel egy évben 2100kWh-t, akkor csak a különbözetet, azaz 1100kWh-t fog kelleni kifizetni, függetlenül attól, hogy mikor termelte, illetve mikor fogyasztotta el az energiát az év folyamán. Amennyiben többet termel egy évben, mint amennyit elfogyaszt, abban az esetben az áramszolgáltató átveszi, és kifizeti a többletenergia értékét.
Amennyiben többet termelünk, mint amennyit elfogyasztunk egy évben, vagy csak eladásra termelünk, abban az esetben jelenleg az Áramszolgáltatók a vételi ár 85%-áért vásárolják meg a villamos energiát.