Hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek

Megjelent az Épületgépész 2014/4. számában

Az utóbbi években Magyarországon is rohamosan terjednek a hálózatra csatlakozó napelemes áramtermelő rendszerek. Míg 2010-ben csak néhány száz ilyen rendszert tartottak számon, addig 2013. végére már 5000 db ilyen rendszer valósult meg, közel 35 MW beépített kapacitással. Ebben az írásunkban megvizsgáljuk, hogy mi áll a hirtelen növekedés hátterében, és megmutatjuk, hogyan néznek ki a hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek.

A napelemes áramtermelés már nagyon régóta ismert technológia. Sorozatban gyártott, jó minőségű napelemeket már húsz-harminc évvel ezelőtt is lehetett vásárolni, de ezek ára olyan magas - ugyanakkor a villamos energia ára pedig olyan alacsony - volt, hogy a napelemes rendszer gazdaságosan nem volt megvalósítható. Ezért többnyire csak úgynevezett sziget üzemű rendszerek valósultak meg ott, ahol nem volt vezetékes áramellátás, pl. tanyákon, erdészházakon… stb.

5-6 évvel ezelőtt azonban gyökeres fordulat állt be a napelemes iparágban. A távol-keleti, elsősorban kínai gyártókapacitások létrehozásával jelentősen csökkent a napelemek ára. Ez pedig beindította a napelemek tömeges alkalmazását főleg Európában (ezen belül is elsősorban Németországban). A nagy kereslet pedig igazi tömegtermelést, ezzel pedig újabb árcsökkenést eredményezett. Bár az árak csökkenése az utóbbi két-három évben megállt, de így is sikerült eljutni arra a szintre, hogy a napelemes áramtermelés versenyképessé vált a vezetékes árammal ellátott területeken is.

A hálózatra csatlakozás lehetőségének előnye

Az árcsökkenés önmagában még nem lett volna elegendő ok a napelemes rendszerek rohamos terjedéséhez. Ehhez még az is kellett, hogy a napelemekkel előállított áramot szabadon be lehessen táplálni a villamos hálózatba, és azt az áramszolgáltatók kedvező feltételekkel vegyék át. A szolgáltatóknak persze nem érdeke a kis napelemes rendszerekkel termelt áram átvétele, ezért a kedvező feltételeket törvényi szabályozással kellett megteremteni. Magyarországon a VET, a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény rendelkezik arról, hogy az 50 kW teljesítmény alatti, ún. háztartási méretű kiserőművek által termelt villamos energiát az adott csatlakozási ponton értékesítő villamosenergia-kereskedő köteles átvenni, és annak méréséről gondoskodni. Fontos az is, hogy a hálózatba összesen betáplált és vételezett villamos energiát a szolgáltató és a termelő éves szaldó szerint számolhatják el. Mindaddig, amíg az éves szinten betáplált villamos energia mennyisége nem haladja meg a vételezett mennyiséget, a betáplált energiát ugyanazon az áron számolja el a szolgáltató, mint amilyen áron a vételezett energiát vásárolják tőle.

A hálózatra csatlakozás lehetősége, a kötelező átvétel és az éves szaldós elszámolás összességében az jelenti, hogy a napelemes rendszerek tulajdonosai az országos villamos hálózat formájában egy olyan ingyenes energia tároló eszközhöz (akkumulátorhoz) jutnak hozzá, ami korlátlan kapacitású, 100%-os hatásfokú, és hosszú ideig (egy évig) tud tárolni. Ez pedig nem más, mint az ideális szezonális tároló, melynek segítségével nem csak a napközben megtermelt energiát tehetjük el éjjelre, hanem a nyáron előállított energiát is télire. A szezonális tárolóként működő villamos hálózat szükségtelenné teszi azt, hogy a napelemes rendszert a téli, gyenge napsugárzási időszakra kelljen méretezni, nem kell nagy kapacitású, drága, hely-, és karbantartás-igényes akkumulátorokat sem alkalmazni. Mindezek eredményeként 100%-ban kihasznált, optimális méretű, így költséghatékony napelemes rendszerek valósíthatók meg, melyek segítségével egy adott létesítmény teljes éves villamos energia szükségletét fedezni lehet, vagyis az éves villanyszámlát le lehet nullázni (kivéve a minimális, lakosság esetén jelenleg bruttó 153 Ft/hó értékű alapdíjat).

A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek kialakítása

A hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek lényegében két fontos részből állnak, a napelemekből és az inverterből. A napelemek egyenáramot állítanak elő, ezt pedig az inverter alakítja át a hálózatnak megfelelő váltakozó árammá. Ezen kívül még kábelezésre van szükség, valamint a helyi körülményektől függően szakaszoló, érintésvédelmi, villám-, és túlfeszültség-védelmi berendezéseket kell alkalmazni. A csatlakozó, szakaszoló és védelmi berendezéseket az egyenáramú oldalon az ún. DC csatlakozó dobozban, a váltakozó áramú oldalon pedig az ún. AC csatlakozó dobozban helyezik el.

A napelemeket többnyire épületek tetőfelületére szerelik fel, az invertert pedig lehetőség szerint száraz, hűvös, jól szellőztetett helyen kell elhelyezni. A legtöbb inverter szükség esetén külső térben is felszerelhető. Az inverterből kilépő váltakozó áramú kábelt nem szükséges elvezetni a mérőóra szekrényig, az bárhol ráköthető az épület villamos hálózatára, ahol a vezeték keresztmetszete elegendően nagy ahhoz, hogy elvezesse a napelemes rendszer teljesítményét.

1. ábra
Hálózatra csatlakozó napelemes rendszer felépítése

A napelemek

A napelem olyan berendezés, ami fény hatására egyenfeszültséget állít elő. A napelemeknek három fő típusa létezik, a polikristályos, a monokristályos és a vékonyréteg napelem. Manapság a vékonyréteg napelemek használata visszaszorult, és szinte kizárólag poli-, és monokristályos napelemeket alkalmaznak. A monokristályos napelemek elvileg kicsivel magasabb hatásfokúak, gyakorlatilag azonban ez Magyarország klimatikus viszonyai mellett nem érzékelhető. Azonos névleges teljesítményű poli-, és monokristályos technológiával készült napelem éves energiahozama Magyarországon gyakorlatilag megegyezik. A polikristályos napelemek viszont kicsivel olcsóbbak, ezért elsősorban ezeket alkalmazzák.

A napelemek névleges teljesítményének a standard teszt körülmények (STC) esetén mérhető teljesítményt adják meg. Ennek jelölése Wp, ahol a p index a „peak”, tehát a csúcsértéket jelöli. Ez egy elméleti maximális teljesítmény, amit a napelem laboratóriumban megteremtett teszt körülmények esetén ad le, amikor a méréshez előállított mesterséges napsugárzás teljesítménye 1000 W/m², a napelem hőmérsékletét pedig 25°C-on tartják. Valóságos körülmények esetén a napsugárzás teljesítménye kisebb, mint 1000 W/m², a napelem hőmérséklete pedig napsugárzás hatására jóval magasabb, mint 25°C. A napelem teljesítménye pedig arányosan csökken a napsugárzás gyengülésével, és szintén csökken a napelem felületi hőmérsékletének emelkedésével. Jellemzőnek tekinthető nyári napon, ha a napsugárzás teljesítménye 800 W/m², a napelem hőmérséklete pedig ennek hatására 50°C, akkor a napelem a névleges teljesítményének kb. 70%-át adja le. Így például egy 250 W névleges teljesítményű napelem valóságos teljesítménye valós körülmények esetén kb. 180 W. A napelemek a névleges értékhez közeli teljesítményüket csak nagyon ritkán, hideg téli napokon, szikrázó napsütés mellett tudják produkálni.

2. ábra
Napelemek áramerősség-feszültség (I-U) jelleggörbéje és teljesítménye a napsugárzás függvényében

Manapság leggyakrabban az ún. hatvan cellás napelemeket alkalmazzák. Ezek mérete kb. 1 méter x 1,6 méter, így a felületük kb. 1,6 m², tömegük pedig 19-20 kg. Az ilyen méretű napelemek névleges teljesítménye jellemzően 250 W, de a gyártástechnológia fejlődésének köszönhetően már kapható ugyanekkora méretű napelem 300 W feletti névleges teljesítménnyel is. A magasabb hatásfokú, magasabb névleges teljesítményű napelemek alkalmazására azonban csak akkor célszerű törekedni, ha szűkében vagyunk a helynek, ahová a napelemek felszerelhetők. Ha van bőven helyünk, akkor inkább a standardnak számító, 250 W körüli teljesítményű napelemeket célszerű választani, mert ezek teljesítményre vetített fajlagos ára (Ft/Wp) kedvezőbb, mint a magasabb hatásfokú napelemeké.

3. ábra
A leggyakrabban alkalmazott 60 cellás napelemek mérete és névleges teljesítménye

Napelemes berendezéseknél a rendszer nagyságát a beépített névleges napelem teljesítmény alapján szokás megadni. 1 kWp napelemes rendszerhez a szokásosan alkalmazott 250 Wp-es napelemből 4 db szükséges, ezek felülete kb. 6,5 négyzetméter. 1 kWp névleges teljesítményű napelemes rendszerrel Magyarországon kb. 1000-1200 kWh/év villamos energia állítható elő. A magasabb, 1200 kWh/év érték az ország déli részein érhető el, az alacsonyabb, 1000 kWh/év körüli érték pedig az ország napsugárzás szempontjából kedvezőtlenebb adottságú északi, észak-keleti részein.

4. ábra
1 kWp névleges teljesítményű napelemes rendszerrel hasznosítható éves villamos energia mennyisége Magyarországon

A napelemek elhelyezése

A napelemekkel hasznosítható villamos energia mennyisége természetesen függ a napelemek dőlésszögétől és tájolásától. Magyarországon hálózatra csatlakozó napelemes rendszerek esetén az optimális, legmagasabb hozam déli tájolás és megközelítőleg 35°-os dőlésszög alkalmazása mellett érhető el. A napelemek azonban kevéssé irány-érzékenyek, az elérhető hozam csak kis mértékben csökken az optimális elhelyezéstől való eltéréssel. Ezért a napelemek elhelyezésénél nem kell feltétlenül ragaszkodni a legnagyobb hozamot biztosító tájoláshoz és dőlésszöghöz, attól tág határok között is el lehet térni (5. ábra).

5. ábra
Napelemekkel elérhető villamos energiahozam csökkenése Magyarországon, az optimális déli tájolástól és 35°-os dőlésszögtől való eltérés függvényében.

A napelemek lapostetőre telepítése esetén például manapság egyre gyakoribb, hogy a napelemeket nem a legnagyobb hozamot biztosító déli tájolással és 35°-os dőlésszöggel helyezik el egymás mögötti sorokban. Ekkor ugyanis az egyes sorok között az árnyékolás miatt jelentős távolságot kell hagyni. Ha azt akarjuk, hogy a napelem sorok a téli napforduló idején se árnyékolják egymást, akkor a sorok közötti távolság a 19°-os delelési napmagasság figyelembevételével megközelítőleg 2,9-szerese a napelemek magassági méretének (6/a. ábra). Ha viszont a napelemeket 15°-os dőlésszöggel, keleti és nyugati tájolással helyezzük el, akkor nem kell az árnyékolás miatt a sorok között távolságot kihagyni, így adott felületre közel kétszer annyi napelem helyezhető el. Ha megvizsgáljuk a kedvezőtlenebb dőlésszög és tájolás miatti hozamcsökkenést, akkor látjuk, hogy az csak kb. 15%-os, így összességében a kétszer annyi napelemmel ugyanakkora tetőfelületen kb. 70%-al több villamos energiát tudunk hasznosítani. A kétszer annyi napelem természetesen kétszer annyiba is kerül, de figyelembe kell venni azt is, hogy az utóbbi elhelyezési mód tartószerkezete egyszerűbb és olcsóbb is. Ennek az az oka, hogy az alacsony dőlésszöggel, sorok közötti távolság nélkül elhelyezett napelemek kevésbé vannak kitéve a szélterhelésnek, így könnyebb, jelentősebb súlyozástól mentes tartószerkezet valósítható meg.