Napelem rendszerek műszaki szemmel

A napelem rendszer működésének sajátosságai

Megjegyzés: Magyarországon elsősorban szilícium kristályos napelem rendszerek terjedtek el, amelyek jellemzően hálózatba visszatápláló rendszerként működnek. Ezért a napelem műszaki szemmel való ismertetőjében elsősorban erre vonatkozóak a leírtak.

A laikus felhasználó gyakran összekeveri a napelem működése, teljesítménye, termelése kapcsán használt fogalmakat, ezért szeretnék az alábbiakban érthetőbbé tenni ezeket.

A napelem, vagy más néven fotovoltaikus elem, mint ahogyan a nevében is benne van, fény hatására termel villamos energiát. Minél nagyobb ennek a fénynek a mennyisége, a napelem annál több energiát képes termelni.

Az energiatermelés műszaki szemmel: a napelem panel

A napelem panel egyik jellemző adata a névleges teljesítménye. Ezt a teljesítményt laboratóriumi körülmények között, adott hőmérsékleten, megadott egységű fénymennyiségnél adja meg a gyártó. Egy rendszer teljesítményének megadásánál az elhelyezésre kerülő napelemek névleges összteljesítményét adják meg. (Például egy panel névleges teljesítménye 245Wp, akkor egy 20 db panelből álló egységet 4,9kWp-os rendszerként szoktak említeni.) Egy panel a névleges teljesítményét azonban csak a legritkább esetben képes leadni, azt is csak rövid ideig, mivel a valós teljesítményét több tényező is befolyásolja.

Ezek közé tartoznak a felhasználó által jól, kevésbé, vagy egyáltalán nem érzékelhető hatások, melyek többek között a következők lehetnek:

• Jól észrevehető hatás a napelem rendszer árnyékoltsága. Ezt előidézheti maga az időjárás (pld. felhőzet, hó), de létrejöhet tárgyak által (fa, egyéb növényzet, szomszéd épület, villámhárító stb.), ami okozhat részleges, illetve teljes árnyékoltságot is. Az időjárás által befolyásolt fénymennyiség csökkenésének függvényében csökken a pillanatnyi leadott teljesítmény. A tárgyak által történő árnyékoltságnál látványosabbá válhat a teljesítményesés. Ebben az esetben ugyanis elegendő, hogy akár csak egy tábla kerül részlegesen árnyékba (akár egy antenna, vagy egy kémény által). Ugyan a többi napelem kap napfényt, a leadott teljesítmény mégis jelentősen lecsökken. Ez egy fizikai törvénynek köszönhető: Egy napelem tábla több cellából épül fel. A táblán belül a cellák és maguk a napelem táblák is sorba, un. stringbe vannak kötve. A rendszeren átfolyó áram erőssége – ezáltal leadott teljesítménye – mindig a leggyengébben termelő (beárnyékolt) cellához fog igazodik. Itt is érvényesül, hogy „a rendszer működését a leggyengébb láncszem határozza meg”! A tárgyak okozta árnyékoltság csökkenthető, illetve elkerülhető a gondos tervezéssel, valamint az árnyékot okozó tényező megszüntetésével (pl. használaton kívüli kémény elbontásával, antenna áthelyezésével, növényzet megritkításával, visszavágásával stb.).
• Légköri szennyeződés és pára. A fentiekhez hasonlóan árnyékoló hatása van a következőknek, de ezek kevésbé érzékelhetőek: a légkörben lévő lebegő anyagok, mint a köd, pára, por, vagy akár a szmog. Ezek hatása általában csekély, de előfordulhat, hogy felhőtlen, de magas páratartalmú időben a teljesítmény alacsonyabb lesz a vártnál.
• Nem látható, de jelentős teljesítménycsökkentő hatása van a táblák felmelegedésének. Napsugárzás hatására a napelemek a környezeti hőmérséklettől jelentősebb mértékben képesek felmelegedni, amelynek értéke nyári melegben eléri, sőt meg is haladhatja a 60-80°C-t! Minden napelem adatlapján szerepel az úgynevezett hőmérsékleti együttható, amely azt mutatja meg, hogy 1°C emelkedésével a nominális, 25 C fokos teljesítményéhez képest mennyivel csökken a napelem leadott teljesítménye. Általában ez az érték típustól függően 0,35-0,55%/°C között lehet. Ez egy 0,5%/°C hő tényezőjű, 80°C cellahőmérsékletű rendszernél 55*0,5=27,5%-os teljesítménycsökkenéshez vezethet. Tehát egy 5 kWp névleges teljesítményű rendszernél ebben az esetben a leadott teljesítmény maximum 3,6 kW. Itt azért felhívnám mindenki figyelmét, hogy TILOS a táblákat mesterségesen (pl. locsolással) hűteni, mivel a hirtelen hőingadozás miatt a napelem megsérülhet, vagy akár tönkre is mehet!

A fent leírt működési elv érvényes mind az egyszerűbb olcsó-, mint a prémium kategóriás drágább napelemes rendszer működésére is, amelyek adott körülmények között hasonlóan viselkednek. Amiben viszont lényegesen eltérnek egymástól, az a hozam és az üzembiztonság, de erről majd később.

Az energia átalakítója és esze: az inverter

A napelem rendszer másik fontos eleme az inverter. Ez a berendezés alakítja át a napelem panelekből érkező villamos energiát oly módon, hogy azt a hálózatba vissza lehessen táplálni. Mivel ennek az eszköznek fontos specifikációknak kell megfelelnie, ezért ezt csak a területi elektromos szolgáltató által bemért és elfogadott berendezések listájából szabad kiválasztani. Az inverter jellemző tulajdonsága a kimenő teljesítmény, amelyet a készülék képes tartósan biztosítani.

A mai modern inverterek általában 90-97%-os hatásfokkal tudnak működni, és ha figyelembe vesszük a kábelveszteségeket is, a veszteség akkor sem több mint 10-15%.

A fentiekben leírt veszteségek, valamint beruházási költséghatékonyság végett elegendő az invertert a napelemek névleges teljesítményének 85-90%-ra méretezni. Amennyiben ebben a méretben nem szerezhető be inverter, akkor mindig a hozzá legközelebb álló – méretezési specifikációnak megfelelő – nagyobb méretű invertert kell alkalmazni. (pl. egy 4,2-4,6kWp rendszerhez elegendő egy 4kW-os inverter).

Mivel a napelem rendszer pillanatnyi teljesítményére sok környezeti tényező hatással van, ami a felhasználónak komoly fejtörést okozhat egy megfelelő rendszer kiválasztásánál, ezért a fent leírtak kizárólag a méretezéshez adnak támpontot, ez pedig amúgy is a tervező feladata.

A napelem rendszer használata valóban megéri? Mikor térül meg?

A felhasználónak a megfelelő működésen és megbízhatóságon felül a megtérülés szempontjából fontos információ a hozam. Más néven az villamos energiatermelés, amiből egyszerűen kiszámolható, hogy adott évben a napelemes rendszer a villanyszámlából mekkora összeget spórolt meg.

A termelési adat az átlagos magyarországi napos órák számából (2000-2200h/év) a tájolásból, napelem típusból jó közelítéssel kalkulálható. A hozam mértéke típustól függően változik. A jobb minőségű és a gyengébb minőségű panelek közötti eltérés elérheti a 15-25%-t is. Általában elmondható, hogy a hazánkban forgalomba kerülő napelemek közül jellemzően az olcsó (kínai) gyártmányok többsége gyengébben teljesít, mint a márkásabb (német, japán stb.) társai.

Természetesen léteznek jó, megbízható minőségű kínai napelemek is, de a hazánkat elárasztó kínai termékeken egy laikus nem képes eligazodni. A napenergia területén is elmondható, hogy az alacsonyabb árúak általában alacsonyabb értéket is képviselnek. Hosszú távon tehát jóval kevésbé kifizetődőbbek, mint a magasabb árat képviselő minőségi táblák.

Jó lesz az olcsóbb is?

A legolcsóbb rendszereket érdemes fenntartással kezelni, mert a kedvező árú kínai panelek többsége nemcsak elektromos jellemzőitől, hanem mechanikai tulajdonságaitól, összeszerelési minőségüktől és élettartamuktól is elmaradnak a nívósabb napelemek műszaki jellemzőitől. Így ezeknél a rendszereknél jóval gyakrabban tapasztalható gyártási hiba, valamint alakul ki idővel egyéb probléma (cellarepedés, Hot Spot, táblavetemedés stb.). Ez a jelentős termeléseséstől a teljes rendszer tönkremeneteléhez is vezethet, de szélsőséges esetben akár tüzet is okozhat. Emiatt gyakran előfordul, hogy a kedvező kezdeti árat néhány év után gyakran felváltja a bosszúság és az esetlegesen – gyenge minőségű rendszereket kínáló, ezáltal megsokasodott reklamációk miatt – eltűnő vállalkozó előkerítése.

Az olcsóbb panelek másik problémája a nagyobb gyártási szórás. Ha a különböző, elméletileg azonos panelek egymástól való eltérése nagyobb, akkor itt is érvényesül a leggyengébb láncszem elve. Az egész napelem rendszer teljesítményét a leggyengébb panel teljesítménye fogja vissza. (Ha egy napelem panel gyártója pl. ±3% tűréssel dolgozik, akkor egy elméletileg 250W-os panel lehet 242,5W és 257,5W teljesítményű is.)

A napelem rendszerek összegezve

Érdemes egy kellően megtervezett, megfelelően méretezett és telepített, jó minőségű napelemes rendszer telepítésében gondolkodni, amely hosszú távon sem fog meglepetést okozni.

Mivel egy nagy értékű beruházásról van szó, minden esetben célszerű referenciá(ka)t kérni, ezáltal magáról a működő rendszerről, valamint a telepítést végzőről is megfelelő információk tudhatók meg.