A napelem cellák vizsgálatának kutatási eredményei

Nyomtatás PDF

Az utóbbi évek folyamán előtérbe került a megújuló energiaforrások használata. A vitathatatlan előnyök  mellett megjelentek felhasználói problémák. Ezek vizsgálatára a Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Karon megalakult az EKH kutatóhely, amely azt a célt tűzte maga elé, hogy segítse az építészeket azzal, hogy támpontot nyújtson igényes terveik kialakításához.

Elsődleges feladatunknak tekintettük a napenergiával - a hazai időjárási feltételek mellett - megtermelhető villamos energia mennyiségének meghatározását. Ezért egy olyan mérőrendszer felállítása mellet döntöttünk, amely alkalmas a különböző tájolású és dőlésszögű napelemcellák vizsgálatára. A mérőrendszerünk képes 38 darab, a Dunasolar által gyártott DS40-es napelemcella (1.ábra) együttes vizsgálatára. A napelemcella amorf-szilícium gyártástechnológiával készült, névleges teljesítménye 40W, amely elsősorban épületenergetikai felhasználást tesz lehetővé. A tábla esztétikus megjelenésével is az építészeti alkalmazást szolgálja.

Thumbnail
1.ábra 

A vizsgálat főbb szempontjai, melyek meghatározzák a mérőrendszer kialakítását, kiépítését:
A degradáció meghatározása. (Az amorf-si technológia sajátossága a gyártás utáni - öregedés miatti - teljesítménycsökkenés., Mértéke és időbeli változása lényeges a táblát gyártók szempontjából, mert az energiatermelés idővelcsökken.)
Az energiatermelési mutatók értékeinek meghatározása. (Tényleges időjárási körülmények között - szennyeződés, felhő, köd stb. - a cellák energiatermelése nagymértékben eltér az ideálistól.
Szórt fény hatása az energiatermelésre. (A környezeti tárgyak-, épületek elhelyezkedése, a felületük minősége, színe döntő hatással van a szórt fény mennyiségére, és ezáltal az energiatermelésre.)
Üzemi hatásfok tájolástól, dőlésszögtől, meterológiai viszonyoktól függő meghatározása. (Az üzemi hatásfokot mindig egy referencia táblasorhoz viszonyítva számoltunk, így relatív értékei csak arra a tájolásra és dőlésszögre vonatkoznak, de ezen módon a különböző elhelyezésű táblák eredményei egymáshoz viszonyíthatók. Termelési hatásfok változása.)
Ezen szempontok szerint flépített mérőrendszer kialakítása és működése: 

A rendszer a karakterisztika meghatározásához úgy méri az egyes napelemcellákat, hogy egyenként egy reléállomás változtatható terhelést kapcsolrájuk. A változtatható terhelés jelen esetben egy MOS-FET tranzisztor. A számítógép a tranzisztort vezérli és rajta keresztül a vele összekapcsolt napelemcellát különböző munkapontokba (2. ábra) kényszeríti, rögzítve az adatokat felveszi a cella karakterisztikáját.

Thumbnail
2.ábra

Az így végigjárt karaktersztikából a mérőprogram kiválasztja a munkapontot - a legnagyobb görbe alatti terület - és ezt az értéket letárolja. A mérési ciklus 2 percenként ismétlődik. A mért adatok mindig 1 db DS 40-es napelemcellára vonatkoznak. A rendszer fontos részét képezik a referenciamodulok, ezek mind déli tájolású 45° -os dőlésszögű napelemcellák (3. ábra). Ezekhez hasonlítjuk a különböző tájolású és dőlésszögű napelemcellák által termelt energiát. A referenciamodulok - a villamos paramétereik alapján - párba vannak válogatva a hozzájuk tartozó napelemecellákhoz (egyenkénti válogatással), Úgy hogy az esetleges gyártásból adódó teljesítménykülönbségeket, és evvel a mérési pontatlanságot minimálisra csökkentsük. A rendszer fontos része a hő és fényérzékelő szenzor, mely segítségével szerzünk pontos képet az időjárási viszonyokról. A mérés két telephelyen folyt, először a 2002-tól Dunasolár gyártelepén. Itt kb. 2éves időszakról van eredmény, majd a főiskola C épületének tetején folytatódott tovább a mérés 2004 novemberétől.

Thumbnail
3.ábra A mérőrendszer elvi kapcsolása

A rendszer által mért adatok: 

Miután elegendő 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 dőlésszöget, valamint téli időszakban a legnagyobb energiát adó dőlésszöget. Téli időszakban a dőlésszög ismerete - a szigetüzemű energiaellátó rendszerek tervezésénél - fontos, mivel itt a téli energiatermelés maximuma mérvadó.
A számunkra fontos, kiemelten kezelt tájolású és dőlés szögű (0°, és 90°) napelemcellák energiatermelési mutatóinak meghatározása.
A mérési eredmények értékelése: A mérési eredményekből megállapítható, hogy a déli tájolású napelemcellák termelik a legtöbb energiát, ez az eredmény várható is volt. Viszont az ideálistól eltérő tájolású cellák energiatermelése - (DNY;DK) vagy esetleg még szóba jöhető (NY;K) tájolású cellák - csak igen kis mértékben kisebbek. Az eltérés kb. 5% DNY;DK esetében, NY;K elhelyezésnél pedig kb. 10%
 

Thumbnail
4.ábra

Az ideális tájoláson belül a maximális energiatermeléssel rendelkező dőlésszög 30° környékére adódik. A téli energiatermelés maximuma 60° környékére esik. Az eltérés a téli, illetve nyári napállás különbözőségéből adódik. Ez jól látható a mérési eredményekből készült diagrammból 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 hőszigetelő üvegburkolat külső üvegtáblájának napelemekre történő cseréje). 
 

Thumbnail
5. ábra

Számunkra kiemelt dőlésszögek és tájolások vizsgálata :

Thumbnail
6. ábra
 

A 6. ábrán a 90° -os és a 0 ° -os napelemcellák energiatermelési mutatóit igyekeztünk megjeleníteni. Az eredményeink azt mutatják, hogy a 90° -os dőlésszöggel elhelyezett cellák a déli 45° -osnál ugyan kevesebb energiát termelnek, de miután épületburkolatként szóba jöhetnek az ilyen elhelyezésű napelemtáblák, ezért mindenképpen jobban meg kívántuk vizsgálni ezen elhelyezési lehetőségeket is. A D90° napelemtábla az energiatermelés szempontjából a legkedvezőbb, de ha ettől eltérünk (DK90°;DNY90°) akkor a 6. ábrán jól látszik, hogy minimális termelésbeni csökkenéssel kell számolnunk. A 6. ábra diagrammja 2 éves mérési eredmények átlagából készült. 0° -os napelemcella viszonylag sok villamos energiát termelt. Ennek az az oka, hogy reggeltől estig éri a táblát a napsugárzás. A tábla szempontjából ez az elhelyezés azért lehet problémás mert megnövekszik a sérülékenysége és a szennyeződések is jobban befolyásolják az energiatermelést. Ez az elhelyezés akkor ajánlott, ha a napelemcellák védett helyen vannak (pl. egy üvegtető alatt, vagy egyéb funkciót is betöltenek, célszerűen árnyékolást ), vagy ha más elhelyezésre nincs (vagy csak nagyon körülményesen) adódik lehetőség . 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 számottevően 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 lehetőségünk nyílt, mivel két merőben különböző helyen folyt a mérés. Pontos számszerű következtetések nem vonhatók le, mert nem egy időben vizsgáltuk a cellákat. Igyekeztünk azonos paraméterű időszakokat figyelembe venni. A fényérzékelő szenzor adatai alapján olyan időszakot, - 6 hónapot - választottunk ki, ahol a két helyszínre érkező, azaz besugárzott napenergia átlaga jó egyezést mutat. A két helyszín merőben különböző. A főiskola teteje egy matt fekete gumiborítású lapos tető (igen kis mennyiségű napfény visszaverődés), míg a Dunasolár gyártelepe egy füves nyitott gyárudvar (nagyobb visszaverő 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) 
 

Thumbnail
7. ábra

Az adatok értékeléséből azt a következtetét vontuk le, hogy egy napelemes energiatermelő rendszer telepítésekor nem szabad minden áron az ideális tájolásra és dőlésszögre törekednünk. Ha az ideális nagyon körülményesen valósítható meg, kis veszteséggel megfelelő a tárgyalt más elhelyezés. Egy épület esetében fontos szempont az esztétika. Ezt egy műszaki 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, lehetőségeink:

 - A mérések folytatása az eddigi eredmények igazolására, mert pontos következtetéseket csak több éves mérési     eredmény birtokában vonhatunk le.
- Továbbá a mérőrendszereink fejlesztése, az esetleges mérési pontatlanságok kiszűrése, és újabb mérési eljárások keresése.
- Más táblatípusok (poli, mono-kristályos) bevonása az adatgyűjtésbe.
 

Ön itt áll: EKH