Megjelent az Épületgépész folyóirat 2015/4. számában
A napelemes technika gyorsan fejlődik. Az egyik legfontosabb újdonság ezen a területen, ami már Magyarországon is egyre jobban terjed, az úgynevezett napelemenkénti munkapont-optimalizálók alkalmazása.
A hagyományos rendszerek korlátai
A hagyományos, hálózatra visszatápláló napelemes rendszerekben, a napelem modulok egymással sorba kötve alkotnak egy sztringet, azaz egy napelem füzért. Adott sztringen belül, az egyes modulok nem függetlenek egymástól, hiszen a rajtuk átfolyó áramerősség azonos. A legkisebb teljesítményű modul meghatározza az átfolyó áramot, ezért az egész sztring teljesítménye is csökken.
Egy modul teljesítménye több okból is elmaradhat a többitől. Mindenekelőtt azért, mert már a gyártósort elhagyva sincs két, teljesen azonos napelem. A teljesítmény eltérhet a különböző megvilágítás (tájolás, dőlésszög), hőmérséklet (légáramlás) és mechanikai sérülés hatására. Az azonos erősségű besugárzás fenntartása miatt eddig nagy gondot kellett fordítani arra, hogy a napelem mezőn lehetőleg ne haladjon át a környező tárgyak (pl. fa, kémény) árnyéka. Egy sztringbe általában csak azonos tájolású és dőlésszögű modulokat volt tanácsos kapcsolni. Az előbbi okokból a kicsi és tagolt tetőfelületek nem voltak alkalmasak gazdaságos napelemes rendszerek telepítésére. Megfelelő méretű, de eltérő tájolású felületeken, több inverter, vagy egy drágább, több munkapont-követővel (MPPT) ellátott inverter alkalmazása volt szükséges.
Az egyes napelem modulok közötti teljesítménykülönbségek és egymásra hatások nagyobb „felbontással”, vagyis modulonkénti kezeléssel küszöbölhetőek ki. Ennek egyik formája az, hogy minden napelemhez tartozik egy DC oldali optimalizáló, amely elvégzi a munkapont-követést és önálló adatkapcsolatban áll az inverterrel. A napelemként való teljesítménykezelés másik lehetséges módja az AC oldali csatolás, vagyis a mikroinverterek alkalmazása. Az utóbbival ebben a cikkben nem foglalkozunk.
A felsorolt megszorítások kiküszöbölése mellett a teljesítményoptimalizáló funkciókkal ellátott rendszerek olyan további előnyöket is nyújtanak, mint az átfogó rendszerfelügyelet és a fokozott biztonság. A modern akkumulátorok és az „okos” napelemek egységes rendszerbe kapcsolásával, hatékonyan csökkenthető egy háztarás külsőenergia-függősége.
A teljesítményoptimalizáló rendszerek felépítése
A modulonkénti teljesítményoptimalizálás terén a legmeghatározóbb gyártó a SolarEdge, amely háztartási és nagyobb léptékű napelemes rendszerekhez is átfogó megoldásokat kínál. Az ilyen rendszerek a napelemekre szerelt teljesítményoptimalizáló egységekből, inverterből és felhőalapú felügyeleti platformból épülnek fel.
A teljesítményoptimalizáló egy DC/DC (egyenáramról egyenáramra) átalakító elektronika, amely egy kis dobozban helyezkedik el, vagy közvetlenül a napelemek hátoldalára szerelve, vagy a napelemek mögötti tartószerkezetre felerősítve. Feladata, hogy napelem modulonként állítsa be a maximális teljesítményhez tartozó munkapontot. Az eddig ismert rendszerekkel ellentétben tehát nem egy napelem mezőhöz tartozik egy munkapontkövető elektronika (MPPT), hanem minden egyes napelemhez.
Napelemenkénti teljesítményoptimalizálók a tartószerkezetre rögzítve. (Forrás: SolarEdge)
Mivel a munkapontkeresés (MPPT) napelem modulonként történik, az inverter egyszerűbb szerkezetű, csak a DC/AC (egyenáramról váltóáramra) átalakítás a feladata. Ezáltal ezek a berendezések megbízhatóbbak és a gyártási költségek is csökkenthetők. Az optimalizáló egységek az inverteren keresztül egyenkénti adatkapcsolatban állnak egy adatgyűjtő rendszerrel, amelynek köszönhetően napelem modul szintű rendszerfelügyelet valósítható meg. A kommunikáció a DC kábeleken keresztül történik, tehát járulékos vezetékek kiépítésére nincs szükség.
A napelem modulonkénti teljesítményoptimalizáló alkalmazásának főbb előnyei:
Szabadabb rendszerkialakítás
A napelemmodul-szintű MPPT optimalizálók révén összetett tetőfelületek esetén is egyszerű rendszerfelépítés érhető el, mivel eltérő tájolású és dőlésszögű napelem mezők is egy sztringbe kapcsolhatóak. A inverterekkel együttműködő optimalizáló egységek egy meghatározott sztringfeszültséget tartanak fenn. Mivel a feszültség nem növekszik a sorba kapcsolt modulok számával arányosan, hosszabb sztringek, szabadabb napelem mező kiosztások valósíthatóak meg. Az árnyékolás miatt fellépő különbségek sem csökkentik az egész mező teljesítményét, így olyan tetőrészekre is kerülhetnek napelemek, ahol korábban nem volt tanácsos az elhelyezésük.
Modulszintű MPPT optimalizálók révén összetett tetőfelületekre is telepíthetők napelemek.
(Forrás: SolarEdge)
Hatékony rendszerfelügyelet
A felhőalapú felügyeleti rendszerekben modul-, sztring- és rendszerszintű adatkiértékelés is lehetséges. Elérhető az energiahozam, az üzemidő és a gazdasági mutatók átfogó analízise és követése is. A szakemberek számára automatikus értesítők segítik az azonnali hibaészlelést és gyors beavatkozást. A távoli hibakereső funkciók gyors átláthatóságot biztosítanak, így a lehető legrövidebbre csökkenthető a kiszállások gyakorisága és a helyszínen töltött munkaidő. A modulszintű felügyelet általában minden optimalizáló rendszer alaptartozéka, amely asztali számítógépről és okostelefonról egyaránt elérhető. A leendő napelemes rendszertulajdonosok számára, a rendszer hozamának egyszerű követhetősége általában jelentős szempont.
Napelemenkénti monitoring
Az energiahozam növekedése
Egy hagyományos rendszerben a leggyengébb modul meghatározza az egész sztring teljesítményét. A modulonkénti optimalizáló használata esetén az egész rendszer teljesítménye növekszik, mivel minden egyes napelem modul a neki megfelelő, optimális állapotban üzemel. A gyártói adatok alapján a modulonkénti hozam akár 25%-kal is magasabb lehet, mint egy korábbi felépítésű rendszer esetén. A szabadabb rendszerkialakítás miatt nagyobb tetőfelületek vonhatóak be a napenergia hasznosításába, mint a régebbi rendszerek esetében. A hatékony rendszerfelügyelet és karbantartás miatt csökkenthető az üzemzavarok miatt fellépő hozamkiesés. A napelemes kiserőmű üzemidejének növekedésével javul a fajlagos energiahozam, ezáltal gazdaságosabb, hamarabb megtérülő rendszerek létesíthetők. Az állandó DC feszültség miatt pedig az inverter a legmagasabb hatásfokú állapotban üzemel, a sztring hosszától és a hőmérséklettől függetlenül.
Árnyékolás hatása hagyományos és modulonkénti optimalizálóval megvalósított rendszereknél
Biztonság
Az optimalizálóval megvalósított rendszerek a biztonság tekintetében is előrelépést jelentenek a kivitelezés során és az üzemzavari helyzetekben egyaránt. A napelemes rendszer telepítése és karbantartása során a DC vezetékrendszerben nem jelenik meg a hagyományos rendszerek esetén fellépő magas feszültség addig, amíg az inverter és a hálózati betáplálás nincs bekapcsolva. Az optimalizáló egységek rendszerhiba, vagy magas hőmérséklet érzékelése (tűzeset) esetén, önműködően lekapcsolják az adott modult. A SolarEdge használata esetén nincs szükség tűzeseti főkapcsolóra sem, mert a hálózati betáplálás lekapcsolása esetén a DC feszültség 1 V-ra csökken.
Kivitelezés
Az optimalizáló egységeket beépíthetjük a napelemek mellé, de léteznek már gyárilag ezzel szerelt modulok is. Ez utóbbi esetben az optimalizáló egység helyettesíti a napelemek hátán lévő csatlakozó dobozt. Háztartási méretű rendszerek és a megszokott, 250W körüli teljesítményű napelemek esetén, minden modulhoz 1 db optimalizáló tartozik. Nagyobb rendszerek, vagy kisebb teljesítményű napelemek esetén a költséghatékonyság miatt több modul is csatlakoztatható egy optimalizálóhoz. Az optimalizáló egységeket legtöbbször a keresztsínhez rögzítik, ezért még a napelemek felszerelése előtt kialakítható a sztring nyomvonala, rögzíthetőek a kábelek. Lapostetőkön alkalmazott, keresztsín nélküli tartószerkezet esetén a napelem modul keretén is lehetséges az egységek elhelyezése.
A modulonkénti teljesítményoptimalizálók utólagosan, már meglévő, hagyományos napelemes rendszerek esetében is alkalmazhatók az inverter cseréje nélkül, mivel a megfelelő típusok bármilyen gyártmányú inverterrel képesek együttműködni. Ekkor azonban a modulszintű adatgyűjtő és biztonsági funkciók még nem lesznek elérhetőek. Az előnyök teljes körű kihasználásához további berendezés beépítése is szükséges.
Energiatárolás
A szabályozható sztringfeszültség mellett, lehetőség van arra, hogy egy akkumulátort DC oldalon integráljunk a rendszerbe. A SolarEdge és a Tesla együttműködésével a háztartási méretű napelemes energiatárolás területén kiemelkedő előrelépés történt. Napjainkban nagyobb rendszerteljesítmények esetén kettő (egy napelemes és egy akkumulátoros) inverter alkalmazása a legelterjedtebb eljárás. A DC oldali csatolás miatt a StorEdge néven forgalmazott rendszerekben egyetlen inverter látja el a napelem mezők és a POWERWALL akkumulátor felügyeletét.
Egy ilyen rendszerrel az energiafogyasztás nagyobb részben fedezhető a házon belül megtermelt energiával, de a tárolt energia akár értékesíthető is visszatáplálás által. A nagy kapacitású akkumulátorok révén a háztartás bekapcsolódhat a villamos rendszerirányításba, mint igénybe vehető teljesítmény. A rendszer természetesen áramkimaradás esetén, illetve szigetüzemben is működőképes.
