Megjelent az Épületgépész folyóirat 2015/1. számában
A hálózatra tápláló napelemes rendszerek legfontosabb eleme az inverter. Fő feladata, hogy a napelemek által előállított egyenáramot a közüzemi hálózatnak megfelelő feszültségű és frekvenciájú váltakozó árammá alakítsa át. A mai korszerű inverterek azonban ennél sokkal több feladatot is ellátnak, optimalizálják az áramtermelést, biztonsági és védelmi funkciókat látnak el, adatgyűjtést és távfelügyeletet biztosítanak, igény esetén pedig még a saját fogyasztók egy részét is vezérelni tudják.
A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerekben – humán anatómiai hasonlattal élve – a két legfontosabb szerv, a szív és az agy szerepét az inverter tölti be. Az inverter szabályozza a „vérkeringést” vagyis az áramot és a feszültséget mind az egyenáramú, mind a váltóáramú körben, a beépített fejlett elektronika pedig mindenre ügyel, ami a napelemekkel előállított villamos energia optimális hasznosításához szükséges. Ahhoz persze, hogy valóban minden optimálisan történjen, ügyelni kell a megfelelő inverter kiválasztására és beállítására.
Szerkezeti kialakítás és hatásfok
Az inverternek a napelemekkel előállított egyenfeszültségből 50 Hz frekvenciájú, szinuszos jelalakú, a hálózattal szinkronizált (azonos fázishelyzetű) váltakozófeszültséget kell előállítania. A DC/AC átalakítást az inverter megfelelően vezérelt félvezetős áramkörökkel végzi. Főbb csoportosítás szerint az inverterek készülnek transzformátoros (50 Hz-es, vagy nagyfrekvenciájú ún. HF transzformátorral) és transzformátor nélküli kivitelben. A transzformátoros kialakítás ún. galvanikus leválasztást valósít meg a DC és az AC oldal között. Ez nagyobb biztonságot jelent abból a szempontból, hogy a DC feszültség nem kerülhet ki az AC oldalra. A transzformátoros inverterek DC oldalon földelhetőek mind a pozitív, mind a negatív oldalon, erre azonban csak vékonyréteg napelemek alkalmazásakor lehet szükség. A manapság döntően alkalmazott poli-, vagy monokristályos napelemek pozitív és negatív pólusai nem igényelnek földelést, ezért ezeknél alkalmazhatók a transzformátor nélküli inverterek. Ezek előnye, hogy könnyebbek, olcsóbbak és magasabb hatásfokú átalakításra képesek, így a tendencia egyre inkább ezek alkalmazása felé tolódik el.
Az 1. ábrán példaként azonos gyártótól látható egy transzformátoros és transzformátor nélküli inverter hatásfok görbéje. A traszformátoros inverter hatásfoka a 30%-nál magasabb teljesítmény tartományban jellemzően 95-96% között mozog, míg a transzformátor nélküli kivitel hatásfoka ugyanitt jellemzően 96-98% közötti.
1. ábra
Transzformátoros és transzformátor nélküli inverter hatásfoka
Csak minősített, jóváhagyott inverter alkalmazható
Az inverter kiválasztásánál először is arra kell figyelni, hogy a választott típus megfeleljen a közcélú hálózati csatlakoztatáshoz előírt elosztói követelményeknek. Csak olyan invertert lehet alkalmazni, amit az adott terület hálózati engedélyese jóváhagyott. Az engedélyezett inverterek listája letölthető a szolgáltatók (ELMŰ-ÉMÁSZ, DÉMÁSZ és E.ON) honlapjáról. Szerencsére az inverterek listája ma már mindegyik szolgáltató esetében meglehetősen bőséges, több tucat gyártó több száz modellje közül lehet választani.
Hálózatra kapcsolt, vagy sziget üzem?
Üzemmód szerint az inverterek lehetnek ún. „hálózatra kapcsoltak” (angolul: grid-connected), vagy sziget (akkumulátoros) üzemre alkalmas kialakításúak, illetve léteznek hibrid kialakítású, mindkét üzemre alkalmas inverterek is. A Magyarországon manapság döntő többségében megvalósuló, akkumulátor nélküli, hálózatra csatlakozó napelemes rendszereknél természetesen a „hálózatra kapcsolt” invertereket kell alkalmazni. Ez persze azt is jelenti, hogy - a gyakori tévhittel szemben - ezek a rendszerek áramszünet (hálózatkimaradás) esetén nem tudják biztosítani az adott épület villamosenergia ellátását. Az ilyen inverterek áramszünet esetén technológiai és védelmi okokból azonnal lekapcsolnak a hálózatról. Szerencsére Magyarországon az áramszünetek nem túl gyakoriak, ezért ezek áthidalása céljából nem éri meg az egyszerű, hálózatra csatlakozó rendszerek helyett a lényegesen drágább, sziget üzemre is alkalmas akkumulátoros rendszereket megvalósítani.
Egy fázis, vagy több?
Az inverterek egyfázisú, vagy háromfázisú kivitelben készülnek. Ha a tervezett napelemes rendszer helyszínén a hálózati csatlakozás egyfázisú, akkor ide természetesen csak egyfázisú inverter csatlakoztatható. Egy fázisra maximum 5 kVA-es inverter teljesítmény kapcsolható, akkor is, ha a bejövő teljesítmény ennél nagyobb. Háromfázisú fogyasztói csatlakozás esetén napelemes rendszer invertere is jellemzően háromfázisú, de lehet alkalmazni fázisonként beépített egyfázisú invertereket is. Ügyelni kell azonban arra, hogy a fázisaszimmetria mértéke nem haladhatja meg az 5 kVA-t. Fázisonkénti egyfázisú inverter hálózatvizsgálat nélkül 2,5 kVA-ig csatlakoztatható, 2,5 és 5 kVA közötti névleges teljesítményű inverterek egyfázisú csatlakoztatását pedig az elosztó hálózati engedélyes a hálózati paraméterek figyelembevételével, az igénybejelentésre adott műszaki-gazdasági tájékoztatóban írt feltételekkel engedélyezheti. A napelemes rendszer névleges AC oldali teljesítménye természetesen nem haladhatja meg a rendelkezésre álló hálózati betáplálás teljesítményét.
Munkapont követés, egy MPPT, vagy több?
A napelemek áramerősség-feszültség (I-U) jelleggörbéje a 2. ábrán látható. A jelleggörbén meghatározható az a munkapont, ahol a napelem teljesítménye a legnagyobb. Az inverter feladata, hogy a napelemek ezen a legnagyobb teljesítményt adó munkaponton üzemeljenek. Ezt az inverter a feszültség szabályozásával tudja beállítani. Mivel a napelemek jelleggörbéje függ a napsugárzástól és a hőmérséklettől, ezért a körülmények változásával a legnagyobb teljesítményű munkapont feszültsége is változik. Egy munkapont optimalizáló modullal, ún. MPPT-vel rendelkező inverter ezért csak azonos teljesítményű, valamint azonos dőlésszögű és tájolású napelem sztringeket (sorba kapcsolt napelem csoportokat) tud optimálisan kezelni. A napelemek típusa, száma, dőlésszöge és tájolása tehát egy sztringen belül nem térhet el egymástól, és az egy MPPT-vel rendelkező inverterre kötött párhuzamosan kapcsolt sztringeknek is azonosaknak kell lennie. Eltérő sztringek esetén vagy sztringenként külön invertert, vagy olyan invertert kell alkalmazni, ami több munkapont követő modullal, MPPT-vel rendelkezik. Szintén célszerű több munkapont követést alkalmazni, ha a napelem sztringek számottevő, egymástól eltérő árnyékolásával kell számolni.
2. ábra
Napelem optimális, legnagyobb teljesítményű munkapontja
Az inverter és a napelemek illesztése egymáshoz
A napelemek és az inverterek teljesítményét optimálisan illeszteni kell egymáshoz. Első közelítésben az ajánlás az, hogy az inverter névleges, AC oldali teljesítménye (PINV,AC) a napelemek DC oldali névleges teljesítményének (PPV) 80-120%-os tartományába kell, hogy kerüljön.
0,8 x PPV < PINV, AC < 1,2 x PPV
A napelemek névleges teljesítménye ideális körülmények esetére van megadva, ezért ez a teljesítmény valós körülmények esetén ritkán fordul elő. Emiatt választható a napelemeknél kisebb teljesítményű inverter, de ekkor előfordulhat, hogy optimális napsugárzási és hőmérséklet viszonyok esetén a napelemek munkapontja már kiesik az inverter munkatartományából. Ilyenkor pedig az inverter leszabályoz, ami hozamveszteséget eredményezhet. Különösen akkor következhet ez be, ha az inverter hűtése nem megfelelő, mert meleg helyiségben, vagy napsütésnek kitett helyen lett felszerelve. Ha a maximális hozam elérésé a cél, akkor az invertert inkább célszerű kicsit túlméretezni, főleg akkor, ha a napelemek tájolása és dőlésszöge közel van az ideálishoz.
Az inverter kiválasztásánál ellenőrizni kell azt is, hogy a napelemes rendszerben előforduló feszültségek és áramok beleesnek-e az adott inverter megengedett, illetve a munkaponti tartományába. Ez alapján lehet meghatározni az egy sztringen belül sorba kapcsolható napelemek minimális és maximális számát, valamint a párhozamosan kapcsolható sztringek számát (3. ábra).
3. ábra
Napelem sztringek
Az egy sztringen belüli sorba kötött napelemek maximális számát a napelemek üresjárati feszültsége (VOC) és az inverter maximális feszültsége (VINV,max) alapján lehet meghatározni. A napelemek feszültsége a hőmérséklet csökkenésével növekszik, ezért az ellenőrzést Magyarországon -10°C-os hőmérséklet figyelembevételével kell elvégezni. A legnagyobb feszültség tehát egy hideg, de derült téli napon következhet be, amikor például feszültség kimaradás miatt az inverter lekapcsol a hálózatról, így a napelemek üresjárati állapotba kerülnek. A sorba kapcsolható napelemek száma:
nmax= VINV,max / VOC, NAPELEM (-10°C)
Az egy szringben elhelyezhető napelemek minimális számát pedig úgy kell meghatározni, hogy a napelemek munkaponti feszültsége (VMPP) biztonsággal kerüljön bele az inverter munkaponti tartományába. A munkaponti feszültséget Magyarországon 70°C-os modulhőmérsékletre célszerű számolni. A sorba kapcsolt napelemek minimális száma:
nmin= VINV,MPP,min / VMPP, NAPELEM (70°C)
A párhuzamosan kapcsolható sztringek számát a napelemek rövidzárlati árama (ISC) és az inverter maximális bemenő áramerőssége határozza meg (IINV,max).
nsztring, max = IINV,max / ISC, NAPELEM (70°C)
Mindezek ellenőrzését általában nem kell kézi számítással elvégezni, mert az inverter gyártók szinte mindegyikénél elérhető ingyenes számítógépes kiválasztó program, ami elvégzi az összes szükséges paraméter ellenőrzését.
Hová telepítsük az invertert?
Az ivertereket lehetőség szerint hűvös, száraz, pormentes helyiségben, tehát belső térben célszerű elhelyezni. A legtöbb inverter IP védettsége lehetővé teszi ugyan a kültéri telepítést is, azonban valószínű, hogy a külső térben jobban érvényesülő időjárási hatások az inverter élettartamának rövidülését eredményezik. Ha mégis külső téri telepítés történik, akkor javasolt az invertereket tetővel védeni a közvetlen napsugárzástól és a csapadéktól.
A napelemes rendszerek megvalósítása során célszerű az egyenáramú vezetékszakaszt minél rövidebbre kialakítani. A magas feszültségű egyenáram ugyanis ívképződés, így tűzvédelmi szempontból sokkal nagyobb kockázatot jelent, mint a váltóáram. Ez azt indokolja, hogy az inverter a napelemekhez minél közelebb legyen elhelyezve. Emiatt azonban nem célszerű pl. a padlástérben történő elhelyezést választani, mert az itt fellépő nyári magas hőmérséklet az inverter nem megfelelő hűtését eredményezheti, ami gyakori leszabályozáshoz vezethet, és természetesen az élettartamát is csökkentheti.
Az inverterek helyének megválasztását új megvilágításba helyezheti a 2015. március 5-én életbe lépő 54/2014. (XII. 5.) BM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról (OTSZ). Ennek 48. pontja a 87.§-ban a következőket írja elő: „A napelem modulok közvetlen közelében, a DC oldalon villamos távműködtetésű és kézi lekapcsolási lehetőséget kell kialakítani.” Azt, hogy mi jelent a napelemek közvetlen közelében történő elhelyezés, a BM rendelethez tartozó Tűzvédelmi Műszaki Irányelv tartalmazza. Ha az invertert sikerül ezen a távolságon belül elhelyezni, akkor tekinthető úgy, hogy a napelemes rendszer külön távműködtetésű és kézi kapcsoló alkalmazása nélkül is megfelel az OTSZ előírásainak.
