Szerző: Véghely Tamás napenergia szakértő
Az EU-solar Zrt. szakmai tanácsadója
MŰKÖDÉSI ALAPELVEK, A RENDSZERFELÉPÍTÉS VÁLTOZATAI, MÉRETEZÉS ALAPELVEI
A napelemes rendszerek között, az összes változatot is egybevéve, a szigetüzemű rendszerek azok, amelyek a legbonyolultabb kategóriába tartoznak. Ez egyrészt felépítésük, másrészt összetettebb energia-logisztikájuk miatt van így.
1. Ábra No grid
MIT IS JELENT VAJON AZ A KIFEJEZÉS, HOGY „SZIGETÜZEMŰ NAPELEMES RENDSZER”?
Amennyiben az internethez fordulunk, bizony igen érdekes (olykor szörnyű szakmai homályról árulkodó, ámde harsányan hirdetett) válaszokat is kapunk, olyanokat is, hogy: „a szigetüzemű napelemes rendszer galvanikusan le van választva a hálózatról…!”
Ez részben igaz, sőt olyannyira, hogy alapesetben egyáltalán nincs is rákötve!
Akik például csak egy ideje (néhány éve) foglalkoznak a napelemes szakmával, gyakran tévedésbe esnek a bonyolultabb fogalmakat illetően. Sajnos az internetes források (melyek többsége kontroll nélküli) elősegítik a baklövéseket.
A jobb megértés érdekében egy kicsit el kell kanyarodnunk a hálózatra kapcsolt napelemes rendszerekhez. A hálózatra kötött napelemes rendszerek fő feladata a hálózatba táplálás.
Ennek az üzemmódnak egyik tipikus hibajelensége, ha ez a visszatápláló folyamat valamilyen hiba miatt megszakad. Ez az úgynevezett „islanding mode” (szigetüzembe kerülés, elszigetelődés). Ez a hálózatra kapcsolt rendszerek esetében veszélyes és nem megengedett. A fejlett, korszerű inverterek saját vezérléssel kezelik ezt a problémát (anti-islanding mode).
Most már világosan kitűnik, hogy ennek a „szigetnek” semmi köze nincs a másik direkt kialakítású ”szigethez”, ami valójában egy, a központi elosztó hálózattól független működést jelent, és kifejezetten erre tervezték.
A szigetüzemű rendszereknél a napelem hálózatra kötése TILOS!
Az angol napelemes szakirodalom többféle kifejezést is használ erre az üzemmódra: island system, off-grid, stand alone system.
A szigetüzemű napelemes rendszer működésének alapja az energiabegyűjtés-és fogyasztás egyensúlyának biztosítása.
A szigetüzemű (hálózatfüggetlen) működés a villamos (elektromos) iparban régóta ismert fogalom. Így működnek az autók, hajók, repülők stb. elektromos fedélzeti berendezései is, tehát mindazon járművek, amelyeknek a működéséhez szükséges energiát egy belső rendszer biztosítja. Korábban csak a világítási és „gyengeáramú” egységeket sorolták ide, manapság azonban az erőátviteli egységek is villamos árammal működnek.
Ez egyfajta korszakváltást is jelent az emberiség energiagazdálkodásában.
A járművek meghajtására is alkalmas napelemes rendszerekkel egy későbbi cikkben foglalkozunk majd.
Álljon itt nosztalgiaként a világ egyik első elektromos autója a régmúltból,.
2. Ábra a Magyar Királyi Posta első elektromos autója
Nem is gondolnánk, de a háztartásunkban is sok „szigetüzemű eszköz” található. Ilyen például a távirányító, az óra, a különböző játékok stb.
Mostanában erőteljes fejlesztési terület az elektromos autók (és egyéb járművek) területe. Itt azonban erőátvitelről, komolyabb energiákról van szó, sőt a napelemek itt is teret követelnek maguknak.
A napelemes ipar egyik kézenfekvő előnye, hogy a szigetüzemű rendszerek szinte bárhol használhatók, csak „megfelelő rendszert” kell kialakítani.
Ide tartozik a szigetrendszerű napelemes rendszer is, melyet gyakran használnak tanyák, elzárt települések, hegyi állomások, átjátszótornyok, világítótornyok stb. villamos eszközeinek ellátására.
HOSSZÚ TÁVÚ TÖREKVÉSEK A MINDENNAPI ENERGIAELLÁTÁSBAN
Az energetikai ellátás minden országban (és minden egyén számára is) fontos, kiemelt területnek számít. A szocializáció fejlődésével mindenütt csökken azon területek nagysága, melyek nincsenek közművel ellátva. Ezeken a területeken mindenki saját maga felelős a saját ellátásáért.
A fejlett országokban a közmű aránya lényegesen nagyobb, így több felelősség (és egyben műszaki feladat) jut a közműellátókra (illetve az államra). A legnagyobb energiafogyasztók (és egyben legnagyobb környezetszennyezők is egyben) a házaink, épületeink. Nem véletlen, hogy a hatékonyság növelése szempontjából ezt a területet célozzák meg az Európai Unió korábbi (Passys program 2000 – 2008) és legfrissebb intézkedései. El kell érnünk, hogy olyan épületek jöjjenek létre, melyek javarészt (90-100%-ban) önellátóak, stabil működésűek külső energia nélkül.
A SZIGETÜZEMŰ NAPELEMES RENDSZER FOGALMI MEGHATÁROZÁSA
A szigetüzemű rendszerek fogalma: a hálózattól teljesen függetlenül működő és többnyire saját, önálló energiatároló egységgel felépített villamos tápegységrendszer, mely napelem(ek) segítségével tölti fel magát, automatikusan. A kimenet lehet DC szintű (12/24/48 V) vagy váltakozó áramú kimenet (szinuszos vagy négyszögjel). Az újabb inverterfejlesztések eredményeképpen megjelentek a programozható üzemmóddal rendelkező inverterek is (Growatt).
Különös jelentősége van a szigetüzemű rendszereknek az alábbi esetekben:
- Vitális létesítmények ellátása – kórház, segélyhely, szülőotthon (főleg elhagyatott vidéken),
- Világítás, közvilágítás,
- Vészellátás (vészjelzők, katasztrófavédelem, havária esetek kommunikációs csatornái),
- Havária esetek vészellátása,
- Váltott üzemmódú napelemes rendszerek (egyéb elnevezések, hibrid üzemű napelemes rendszer, hálózati interaktív, energia logisztika).
A szigetüzemű napelem rendszer főbb egységei:
- Energiaforrás(ok) napelem (szél, genset (napelem generátor-set), víz),
- Inverter(ek) transzformátor (szigetüzemre vagy váltott üzemmódra tervezett),
- Töltésszabályozók,
- Akkumulátorok,
- Fogyasztók (DC vagy AC fogyasztók),
- Állvány és rögzítő elemek (helytől, elhelyezéstől, klímától függően),
- Kábel (DC vagy AC típus, helytől, elhelyezéstől, klímától függően),
- Csatlakozók (DC vagy AC típus),
- Távadat-feldolgozás (távműködtetett berendezések esetében, mobil átjátszótorony, világítótorony),
- Kiegészítők (helytől, elhelyezéstől, klímától függően),
- Védelmi rendszerek (igény szerint),
- Napelem érintésvédelem,
- Napelem rendszer földelése,
- Villám-és túlfeszültségvédelem,
- Vagyonvédelem.
A szigetüzemű napelemes rendszerek fajtái és felépítésük:
Többféle rendszerkialakítást ismerünk. Mindegyik rendszerben megtalálható az alábbi egységekből legalább három vagy mind a hét egység:
- Energiatároló egység,
- Energiabegyűjtő rendszer (többnyire napelemek),
- Töltésvezérlő napelemhez (akkumulátortöltő, vezérlőegység),
- Energiaátalakító (inverter),
- Külső (kiegészítő/pót áramforrások, genset),
- Fogyasztó(k),
- Állványok, tartószerkezetek.
GYAKORI TIPIZÁLT RENDSZERFÉLESÉGEK
Direkt AC rendszer
A napelem és a terhelés közvetlenül az inverterre csatlakozik, elektromos energiatárolás nincs. Gyakori megoldás vízkivételi-vagy vízmozgató rendszerekben.
A legegyszerűbb „szigetüzemű” napelemrendszer esetében a napelemet közvetlenül összekötik az akkumulátorral (vagy a fogyasztóval), és a fogyasztó is így van kötve. Az ilyen típusú rendszer műszakilag nem javasolt!
3. ábra A) A legegyszerűbb napelemes „rendszer” B) Műszakilag kissé korrektebb, egyszerű rendszer.
A napelem szigetüzem és a napelem rendszer hálózatra kapcsolt verziója közötti főbb eltéréseket az alábbi 4. ábra mutatja be.
4. ábra: A szigetüzemű és a hálózatra kapcsolt főbb különbségei
Az autonómia fogalma: a szigetüzemű napelem rendszerek működésének alapja az energia- begyűjtés- fogyasztás egyensúlyának biztosítása. A napelemes rendszerek esetében autonómiát többnyire akkumulátoros puffer tárolással lehet megvalósítani.
Az autonómia, az önálló, energia (vagy anyag) pótlás nélküli, normál üzemképesség időtartama. Az autonómia meghatározása az egyik legfontosabb művelet a méretezésben. Vízkitermelő rendszerek esetében az „autonómiát víztérfogat egységben” érdemes meghatározni:
- Az energiaigények (vízigények) fedezése „energiamentes napokon”,
- A teljesen feltöltött tároló rendszer működési ideje, teljes vagy részleges fogyasztással,
- Teljes vagy részleges,
- Prioritás sorrendek,
- Kompromisszumot igényel (többnyire),
- Néhány óra – 1-3 nap.
5. Ábra Nunku (Nigeria) vízkitermelő telep (Dunasolar referencia, 2000, a szerző kép archívumából)
I. Táblázat A napelemes rendszerek méretezését (szinte az összes esetben) „hátulról előre” javasolt végezni.
Tehát először mindig annak a megállapításával kell kezdenünk, hogy mennyi energiára van szükségünk (óránként, naponként, hetente stb.).
SZIGETÜZEMŰ NAPELEMES RENDSZER MÉRETEZÉSE
Általánosságban mondható, a napelemes (és egyéb) ellátó rendszerek lényege, hogy egy bizonyos, folyamatosan változó (és néha szélsőségesen jelentkező) igényt megfelelően kielégítsenek. Az ellátási igény nagyon sokféle dologra kiterjedhet:
Víz, energia, villamos energia, fény, irányítás, levegő, élelmiszer, hulladék eltávolítás stb. Ezekben a méretezéseket mindig az igényhez kell igazítanunk. További közös jellemzőjük, hogy többnyire tároló rendszereket is megtalálunk ezekben.
6 Ábra A szigetüzemű napelem méretezés sorrendje
- Vevő energiaigényének meghatározása
- Téli és nyári fogyasztási modellek megalkotása
- Fogyasztói környezet adatai
- Készülékek
- Üzemidők
- Használat gyakorisága
- Személyek, fogyasztási szokások
- Általánosítás
- Tipikus fogyasztási hét modellje
- Egyéb követelmények
- Az alkalmazás megválasztása
- A rendszertípus meghatározása (napelem, monovalens, hibrid változatok, multivalens rendszerek nap-szél-víz-biomassza, földhő/környezeti hő)
- Rendszerelemek pontos meghatározása
7. Ábra Télen, mintegy 35%-kal több energiát fogyasztunk, mint nyáron.
8. Ábra A méretezés alap algoritmusa
KÜLÖNLEGES SZIGETÜZEMŰ RENDSZEREK
Ilyen különleges szigetüzemű napelemes rendszernek számítanak például a világítótornyok, a mikrohullámú vagy telefon átjátszó tornyok, a tengeri bóják, az űrhajók, a napelemes repülőgépek, de ide sorolhatók egyelőre az elektromos autók is. A felsoroltak alapján látszik, hogy a különleges szigetüzemű napelemes rendszerek formájukban igen változatosak lehetnek, mégis bizonyos szempontokból megegyeznek:
- fokozott biztonsággal kell működniük,
- korlátozott energiával rendelkeznek,
- folyamatos energiapótlást igényelnek.
9. Ábra Távközlési állomás napelemes ellátással
10. Ábra Tengeri jelző bója napelemes ellátása
11-12 Ábrák Az űrállomás napelemei
Az egyik hazai jó példa a szigetüzemű napelemes rendszerre az első magyar solar autó, melyet a kecskeméti főiskola (GAMF) csapata készített el neves világversenyekre, mellyel világraszóló eredményeket ért el. A teljesen saját tervezésű, első magyar napelemes autó Ausztráliában és Dél-Afrikában is kimagasló eredményeket ért el. A csapat munkáját és az elért sikereket az EuroSolar magyar tagozata, 2015-ben Napenergia díjjal is elismerte.
13 Ábra Az első magyar solar – autó, a MEGALUX
A szigetüzemű rendszerek három fajtája van: tisztán DC ellátás, tisztán AC ellátás és DC/AC ellátás. A következőkben ezek sajátosságait és különbségeit mutatjuk be.
TISZTÁN DC ELLÁTÁS
Ahogy a korábbi cikkünkben már írtuk a szigetüzemű napelemes rendszerek egyszerű formája esetében nem alkalmazunk invertert, így pedig minden berendezésünk egyenárammal üzemel. A DC üzemmódot AC üzemmódra átállítani, vagyis egyenáramból váltóáramot előállítani csak inverter beiktatásával lehetséges. Fontos megemlíteni, hogy a DC napelemes ellátás veszteségei nagyobbak, mint az AC-s működtetés során, továbbá az akkumulátor környezetének kábelezése (be és kimenet) kritikus.
TISZTÁN AC ELLÁTÁS
Amennyiben a berendezések működtetése váltóáramot igényel, akkor AC ellátást kell kiépíteni az inverterrel. Ez esetben csak néhány DC üzemű berendezés működhet AC-vel is, ezért a fogyasztói parkot át kell vizsgálni. Az AC ellátás lehet, egyfázisú és/vagy 3 fázisú. A berendezéseket ezen feltétel alapján kell megválasztani.
14 Ábra Szigetüzemű napelemes rendszer akkumulátorral
DC/AC ELLÁTÁS
Előfordulhat, hogy a rendszerünk egyaránt tartalmaz egyen- és váltakozó áramigényű berendezéseket. Ez esetben célszerű mindkét (AC és DC) kimeneti forrást kiépíteni, és ezt követően a mindenkori fogyasztási igény dönti majd el a használatot.
Inverterek
Az inverter a szigetüzemű napelemes rendszerek esetében a rendszer kulcsa. A hálózati „interaktív” inverterek – például a Growatt típusok – többféle üzemmódra is képesek, ugyanolyan biztonsággal. A Growatt SPF 3000 TL HVM 24/48 sorozat esetében megválaszthatjuk, hogy a bemenet a napenergia vagy a hálózat legyen. Az SPH 3000-6000 sorozat esetében az üzemmód programozható.
Az inverter tényleges elektromos kapcsolásától függően a kimenet többféle jelalakú lehet (egy berendezés esetében, természetesen mindig csak egy). Szükséges szót ejteni a jelalakokról is. Az elektromos/elektronikai iparban, főleg a váltakozó áramú területen a jelek jellemzői (amplitúdó, frekvencia, fázis, torzítás stb.) között, a jelalak nagyon fontos tényező.
Szinusz jelalak
A szinusz jelalak az elektromosság/elektronika egyik favorit jelalakja, mert nagyon sok kedvező tulajdonsága van (http://www.hit.bme.hu/~papay/edu/KommTech/6_A.pdf) A tisztán szinusz jelalak előállítása a napelem iparban (és máshol is) drágábbnak bizonyult, mint más jelalakok esetében, ezért létrejöttek a nem-szinuszos inverterek. Bizonyos berendezések működőképesek egyéb (módosított szinusz, trapéz, négyszögjel) jelalakokkal, de ez nem általános. Sajnos ezek a jelek sok felharmonikust is tartalmaznak, ezért zavarhatják – egyébként egyre érzékenyebb – környezetünket.
15 Ábra. Az ábrán bemutatjuk a „módosított szinusz” jelalakokat. (forrás, Véghely Tamás: Napelemes rendszerek villamos berendezései c. tankönyv 54. old)
Négyszög és „szinusz szerű négyszög” jelek
Az elektronika másik gyakori jelalakja a négyszög alak. Ahogy a neve is mutatja, formavilágát a négyszögek jellemzik. Gyakori hiba azonban, hogy ezt az alakot összetévesztik a „módosított szinusz” jelalakkal (lásd előző ábra jobb alsó kép).
A fenti, 16. ábrán részletesen feltüntettük mindhárom jelalakot, így jól láthatók a különbségek. Figyelem a módosított szinusz jelnek null-átmeneti szakasza is van (kék vonal)!
A villamos (elektromos/elektronikus) berendezések többsége jellemzően érzékeny a jelalakra. Ugyanakkor vannak olyan eszközök, melyek esetében szinte mindegy a jelalak, bármely formával működnek. Ilyenek a hagyományos fényforrás eszközök (izzólámpák), merülőforraló, villamos „rezsók”, néhány hűtőszekrény, szivattyúk, villamos kéziszerszám egy része stb.
Figyelem! A négyszögjellel (és a többi nem szinuszos jel) működő berendezések általában olcsóbbak, de a magas felharmonikus tartalom (EMC, Electromagnetic interference (EMI), radio-frequency interference (RFI)) miatt több zavart sugároznak ki. Ezek pedig zavarhatják a szomszédok berendezéseit is.
Growatt inverterek fajtái
A nevesebb, piacvezető inverter gyártóknak sok esetben gazdag termékkínálatuk van. Ezek között megtalálhatók a tisztán szigetüzemű napelemes inverterek és a váltott üzemmódú (további szokásos elnevezések: hálózati interaktív, hibrid) inverterek. Utóbbi típusra példa a Growatt 10000HYP inverter is, melynél kétféle üzemmód állítható be: hálózatra tápláló vagy szigetüzem.
17. ábra Growatt inverterek
Az akkumulátor
A sziget rendszerű napelemek „szíve”, motorja az energiát tároló egység, az akkumulátor. Az „agyközpont” pedig az inverter. (Az akkumulátorokkal részletesebben egy következő cikkünkben fogunk foglalkozni.) Az akkumulátor az elektromos (elektronikai) ipar egyik legkevésbé értett eszköze. Az akkumulátorral kapcsolatos ismereteink többsége tapasztalati úton jött létre. Az akkumulátor a villamos energiát kémiai reakciók segítségével tárolja és adja le. A nagyenergiájú, pillanatszerű töltésbevitel és töltésleadás nem lehetséges. A piacon jelenleg igen sokfajta akkumulátor létezik, viszont ebben a cikkben csak a napelem ipar számára használatos akkumulátorokkal fogunk foglalkozni.
Az akkumulátorokat két nagy csoportra lehet bontani:
- az informatikai (kisáramú) alkalmazások,
- erőátviteli célú (nagyáramú) alkalmazások (ezek az indító akkumulátor, elektromos motorok energiaforrásai stb.).
Az akkumulátor legfontosabb jellemzői:
- tároló kapacitás,
- feltölthetőség (ciklusszám),
- töltés megőrzési képesség (önkisülés),
- töltési és kisütési áramok,
- kisütési mélység (DOD, depth of discharge),
- feszültség.
A napelemes rendszerekkel megtermelt energia tárolásának egyik módja az elektromos energia közvetlen tárolása, amelyet akkumulátorokkal tudunk megoldani. Ezen a területen sok félreértés kering a felhasználók között, ezért első lépésként tisztáznunk kell, hogy mely akkumulátorok a legalkalmasabbak a napelemes rendszerekhez.
Az üzletekben, interneten fellelhető akkumulátorok választékában találkozhatunk lúgos, savas, líthium (LiFePO4) és egyéb rendszerű (vanádium redox, vizes) akkumulátorokkal.
Napjainkban a legelterjedtebben alkalmazott típus az ólom-savas akkumulátor. Ezeket a következő csoportokra tudjuk bontani: folyadék elektrolitú, nyitott és kötött elektrolitú, zárt rendszerűre. A nevük egyben utal a felépítésükre is. A nyitott akkumulátoroknál lehetőségünk van beavatkozni az akkumulátor kémiai folyamataiba (pl. párolgás utáni víz feltöltés, savsűrűség beállítás), ez némi szaktudást, előkészítést és odafigyelést igényel. A zárt rendszerű akkumulátorokat szokás gondozásmentesnek is nevezni – ami csak részben igaz – ennél a kivitelnél nem tudjuk a belső folyamatokat alakítani. Ennek megfelelően a zárt kivitelű akkumulátorok kényesebbek a külső üzemeltetési körülményekre. Gondolunk itt pl. a hőmérsékletre, melynek fontos szerepe van a napelem akkumulátor élettartam esetében.
A solar akkumulátor
Sok cég úgy hirdeti termékeit, hogy solar-akkumulátorként ajánlja a hagyományos akkumulátorokat. E két típus nagyon hasonlít egymásra, de némely paraméterben eltérnek egymástól. A hagyományos akkumulátorok töltése akkor esedékes, amikor azok lemerültek. A napelemes (és szél) rendszerek energiatárolóit viszont akkor töltik, amikor az energia rendelkezésre áll. Így az esetek többségében – és a jól méretezett rendszerekben szinte mindig –még ki sem merült az akkumulátor, a töltés máris beindul. Közben párhuzamosan akár fogyasztás is lehet. Mindezért az üzemidő jelentős hányadában az akkumulátor szinte sosem éri el a teljes feltöltöttség állapotát, és soha sincs teljesen kisütve. Az ilyen típusú töltéseket úgynevezett „lebegő töltésnek” is nevezzük, mert az akkumulátort nem kisütött állapotban töltjük, hanem „amikor annak ideje van”. A hagyományos akkumulátorok elektróda rendszerét át kellett alakítani ahhoz, hogy a „lebegő töltés” kívánalmainak megfelelően tudjanak működni. Vagyis a solar-akkumulátorok egy módosított elektródarendszerű, a megújuló energiákhoz átdolgozott változatok.
A nyitott és zárt akkumulátorok két legelterjedtebb változata a pozitív és negatív elektródák formája alapján különböztethető meg. Ennek megfelelően vannak síklemezes (szokták kent lemezesnek is nevezni) és henger lemezes (ezeket tubulár-nak is nevezik) akkumulátorok. A lemezek anyaga mindenesetben ólom- vagy ólomötvözet.
A zárt síklemezes akkumulátorokat tovább lehet bontani, és ebben van a legnagyobb félreértés a felhasználók között. A felitatott rendszerű (AGM) és zselés (GEL) akkumulátorokat nagyon nehéz megkülönböztetni, illetve külsőre csak a feliratra, illetve a megbízható gyártó / forgalmazó szavára lehet hagyatkozni. A belsejükben a nagy különbség a két elektróda közötti szeparátorban van. Az AGM akkumulátor jelentése: (Absorbed Glass Material) elválasztójának anyaga üvegszál alapú, mely magába szívja a savat és így szilárdul meg. A GEL akkumulátorok esetében viszont egy szilikát-sav vegyület önmagában kristályosodik az elektródák között.
Az AGM akkumulátorokból készülhet általános felhasználásra (pl.: biztonságtechnikai rendszerekhez), szünetmentes tápegységekhez úgynevezett „high-rate” (csúcsminőségű) energiatároló, mobil ciklikus berendezésekhez (kerekesszék, elektromos roller) és természetesen ciklikus szolár rendszerekhez is.
El is érkeztünk ahhoz a ponthoz, hogy a fenti kavalkádból vajon melyik akkumulátor vagy akkumulátorok jók a mi szolár rendszerünkhöz?
Ezek egyértelműen a ciklikus akkumulátorok. Mielőtt tovább haladunk az akkumulátor kiválasztásához, tekintsük át röviden a jelöléseket, melyek segíthetnek eligazodni az akkumulátorok között.
Akkumulátor jelölések
A felsorolás nem teljes körű, de a gyakorlatban legtöbbet előforduló jelöléseket tartalmazza:
18 ábra Ipari méretű Vanádium Redox (VRB) akkumulátor
PÉLDÁK EGY EGYSZERŰBB RENDSZERMÉRETEZÉSÉRE
A méretezést két példa segítségével mutatjuk be.
Az első példa segít megérteni az előkészítési folyamatokat. A második példa segít az akkumulátor és a napelemek kiválasztásában.
1. példa
Egy tanyán élő család energia igényeit kizárólag napenergiából kívánja fedezni. Ebben az esetben meg kell határoznunk, hogy az adott helyen található háztartás napelemes rendszere milyen típusú és nagyságú egységekből álljon. A rendszerméretezés nem azonos a napelem akkumulátor méretezéssel.
- Napelem
- Akkumulátor
- Akkumulátor töltő és szabályozó
- Inverter
Legelőször is fel kell mérnünk a pontos igényeket. Ehhez meg kell állapítanunk a villamos fogyasztók darabszámát, teljesítményét, a kívánt ellátás elektromos adatait (AC, DC, szinusz, trapéz stb.). A lehetőségeket a család lakhelye jelöli ki (besugárzás, napenergia rendelkezésre állás). Ezután elemeznünk kell majd a család „szokásait”, ebből kiderül az energia használat mennyisége és gyakorisága.
Jó tanács! Ne használjunk minden berendezést egyszerre, mert ez feleslegesen megnövelheti a beruházást. A célt akkor is elérhetjük, ha az igényeket „finoman csúsztatjuk” 5-10 perccel. Ez elsősorban az inverter összkapacitására vonatkozik.
Berendezés lista:
Televízió, 1 db,
Teljesítmény (60 -150 W között): 80 W
Villamos adat: 230 V AC szinuszos ellátás
Használat időtartama naponta: 2 óra
Használat gyakorisága hetente: 4 nap
Hűtőszekrény
Teljesítmény: 160 W
Villamos adat: 230 V AC
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Hidrofor
Teljesítmény: 1200 W
Villamos adat : 230 V, 1f
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Telefon (és töltők)
Teljesítmény (kb. 1 W/ töltés, 4 mobil naponta 1x töltés): 4 W
Villamos adat: 230 V AC (adapterrel)
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Számítógép
Teljesítmény (laptop, 60-120 W között): 90 W
Villamos adat: 230 V (adapterrel)
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Fűnyíró
Teljesítmény: 1000 W
Villamos adat: 230 V AC
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Vasaló
Teljesítmény: 1000 W
Villamos adat: 230 V AC
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Porszívó
Teljesítmény: 1100 W
Villamos adat: 230 V, AC
Világítás
Teljesítmény: 8×20 W = 160 W
LED AC működés
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Hajszárító
Teljesítmény: 800 W
Villamos adat: 230 V, AC
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Mindösszesen
Teljesítmény:
Legnagyobb fogyasztó: 1200 W (hidrofor)
Használati időtartamok ………………..
Használat gyakorisága hetente:
Ne feledjük hozzáadni a fentiekhez az inverter készenléti igényét mely kb. 22 W!
Használat időtartama naponta:
Használat gyakorisága hetente:
Rendezzük adatainkat egy jobban áttekinthető táblázatba:
A táblázat adatai csak példaként szolgálnak!
Amennyiben a táblázatba a megfelelő függvényeket is beírjuk, akkor gyorsan megkapjuk a napi/heti/havi tipikus igényeket.
A napelem inverter méretezésének szempontjai
A fenti példánk esetében tehát a fogyasztók összes együttes teljesítménye 5472 W.
A legnagyobb fogyasztó (csúcsigény), hidrofor 1200 W.
Javaslatot kell tennünk a felhasználóknak, hogy kerüljék az összes berendezés együttes használatát, mert különben az csak egy drágább rendszerrel lesz megvalósítható. Célszerűbb magatartás, ha arra törekszünk, hogy az együttesen bekapcsolt fogyasztók teljesítménye ne lépjen túl egy meghatározott értéket, például 2000 (vagy 3000) W-ot. Ekkor, a rendszert egy kisebb inverterrel is meg tudjuk építeni, ami kevesebb költséggel jár.
Az inverter kiválasztásánál vegyük figyelembe, hogy bizonyos motoros eszközök (kéziszerszámok) indításkor az üzemi áram 3 szorosát igénylik (csúcsáram, I_max).
A használati idők figyelembe vételével a napi energia igény:
3,712 kWh energia naponta, (19,57 kWh hetente).
Az energia rendelkezésre állását akkumulátorral tudjuk biztosítani.
A fenti adatok alapján érdemes egy 3 – 3,5 kW-os szinuszos invertert választani.
2. példa – Egy akkumulátor-igény méretezési példa
Ez az egyik legnehezebb feladat, hiszen minden paramétert előre pontosan meghatározni lehetetlen, ezért csak közelítéseket tudunk végezni. Gondoljuk végig, ki tudja garantálni évekre előre az állandó, mindig ugyan akkora fogyasztói terheléseket, és ami még nehezebb, a szolár rendszerünk alapját, a napsütéses órák számát. Ezért mindig ráhagyással kell kalkulálnunk a rendszer akkumulátoránál.
Első lépésként a terhelésünket, vagyis a rendszerünkről működtetni kívánt berendezések energia igényét kell meghatározni. Fogyasztóink lehetnek egyenáramúak vagy váltóáramúak. Már ott kezdődik a probléma, hogy honnan tudjuk meg az igényelt teljesítményfelvételt?
Ebben a gépkönyvek, felhasználói leírások tudnak segíteni, illetve az eszközökön is található általában egy címke, ami tartalmazza a teljesítmény adatot voltamperben (VA) vagy wattban (W) de lehet, hogy az áramfelvételt amperben (A). Amennyiben amper értéket tudunk, természetesen a tápoldali feszültség szorzatával megkapjuk a teljesítmény adatokat.
Az összes teljesítmény (VA) = feszültség (V) és áram (A) szorzata. = hasznos teljesítmény + meddő teljesítmény (pl. melegedés). A hasznos vagy hatásos teljesítmény (W)= az összes teljesítmény szorozva a teljesítmény tényezővel (Power factor).
Amennyiben már tudjuk az igényelt teljesítményt, akkor kezdhetjük a akkumulátor méretezését. Később majd a környezeti feltételeknek megfelelő napelemet és invertert is hozzárendeljük a rendszerhez.
A méretezésnél ügyelnünk kell, hogy váltóáramú (AC) terheléseket is egyenáramú (DC) rendszerről kell működtetnünk, és mindig a lehető legrosszabb esetet kell figyelembe venni. A számolásnál fontos, hogy a teljesítmény, mind AC mind DC oldalon azonos, függetlenül az alkalmazott feszültség szintektől.
Tehát: összes terhelésünk legyen váltakozó áramú 1 kW=1000 W.
Az inverter/töltő és egyéb veszteség miatt növeljük meg az összes teljesítményt 1250 VA értékre, egy 48 Vdc inverterünk van, amin keresztül naponta 3 órát kell akkumulátorról működnie rendszerünknek.
Mivel a napos időszak a legbizonytalanabb, így feltételezzük, hogy legrosszabb esetben 3 napig nem süt a nap (autonómia 3 nap). Egyszerűség miatt zárt gondozásmentes AGM akkumulátorban gondolkozunk. Tehát egy jó szolár akkumulátor 25 0C-on 30%-os kisütési mélységnél kb. 2000 db ciklust tudhat, így nagyjából 5-6 évig szeretnénk használni akkumulátorunkat (ha több energiát veszünk ki az akkumulátorból, vagyis mélyebben kisütjük, a ciklus számuk és ezzel az élettartamuk is rövidül). Azonban ne felejtsük el, hogy a hideg kapacitás veszteséget okoz, a meleg pedig az élettartamot rövidíti.
Tehát itt a következő bizonytalansági pont, melynek hatását előre pontosan megjósolni nem lehet. Ezért érdemes jó minőségű akkumulátort választani, és lehetőleg állandó hőmérsékleti körülményeket megteremteni az üzemeltetéshez (pl. pincében, állandó hőmérsékletre telepített akkumulátor). Nyitott rendszereknél, többszöri szakszerű karbantartással, növelhetjük az élettartamot.
A példánknál 1250 VA-es terhelést 3×3 órán keresztül kell biztosítani, így a 11250 VAh -t visszaosztva a DC oldali 48 V feszültséggel megkapjuk a rendszerünk kapacitás igényét:
- kb. 234 Ah, ami az összes teljesítmény 1250 VA és a feszültség 48 V hányadosból kapott terhelő áramot kb. 26 A,
- az elvárt időtartamig 3×3 óra = 9 óráig tudja ellátni árammal.
Itt látható egy 12 V/230 Ah-s akkumulátor futási idő táblázata állandó terhelő áramok függvényében, ahol látszik, hogy kb. 8-9 órát tud üzemelni 26 A-s terhelésen.
A fentiek szerint a feladat ellátására elegendőnek tűnik a 230 Ah/C100 kapacitású akkumulátor, de amennyiben ezt alkalmaznánk, úgy akkumulátorunk minden alkalommal leadná a teljes kapacitását, és így a legkevesebb ciklus alatt a lehető legrövidebb idő alatt elhasználódna. Nem közelítené meg az általunk elvárt 5-6 éves működési élettartamot.
Ezért, 30%-os kisütési mélységgel kalkulálunk, ami azt jelenti, hogy olyan akkumulátort kell választanunk, aminek 30%-os kapacitása lefedi a kalkulált igényünket, tehát 234 Ah/0,3 = 780 Ah.
Egy tényezőt nem kalkuláltunk még bele a rendszer működésébe: a napos órákat. Ezek viszont feltétlenül szükségesek a napelem akkumulátorok töltéséhez. Vagyis hiába méretezünk megfelelően, elég ráhagyással, ha az energiatároló egységet nem tudjuk megfelelően feltölteni, a teljes rendszer valós paraméterei eltérhetnek az elméleti méretezéstől.
Példánk számadatokkal:
A javasolt megoldások a piacon kapható akkumulátorokból kiválasztott modellek. Ezektől eltérő megoldásokat is találhatunk.
A napelemeket a helyi sugárzási viszonyok ismeretében kell kiválasztani.
- ábra az akkumulátor hőmérséklete és élettartama közötti összefüggés
Végezetül egy hasznos fogyasztási táblázat:
Centrifuga: 5 heti használat = 1 kWh
Elektromos (szeletelő) kés: ha minden hétvégén felszeletel egy adag bélszint, 4 éven keresztül = 1 kWh
Elektromos borotva: öt éven keresztül minden napi használat = 1 kWh
Elektromos konzervnyitó: napi egy konzerv kinyitása 4 éven keresztül = 1 kWh
Elektromos tűzhely: egy heti étel elkészítése egy négytagú családnak = 20 kWh
Elemtöltő: 100 óra töltés = 1 kWh
Energiatakarékos izzó: (20 W) 50 órányi használat = 1 kWh
Fagyasztó: 2 kWh naponta
Fax: 3 órányi folyamatos használat = kevesebb, mint 1 kWh
Fúrógép: 4 óra használat = 2 kWh (500W készülék teljesítmény mellett)
Hajszárító: (1000 W) 6-szor 10 percnyi használat = 1 kWh
Hi-Fi berendezés: 8-10 órányi működés = 1 kWh
Hősugárzó: 3 kW teljesítményű hősugárzó 20 percnyi fűtése = 1 kWh-t
Hűtőszekrény: 2 kWh naponta
Kávédaráló: 90 kg kávé ledarálása = 1 kWh
Kávéfőző: 40 csésze kávé elkészítése = 1 kWh
Késélező: 12’000 db kés élezése = 1 kWh
Konvektor: 2 kW teljesítményű konvektor fél órányi fűtése = 1 kWh
Mikrohullámú sütő: 5 adag fagyasztott félkész étel felmelegítése = 1 kWh
Mobil telefon töltő: 100 töltés = 1 kWh
Mosogatógép: egy teli „töltet” 2 kWh
Mosógép:
- 1,8 kg műszálas mosás 50 fokon = kevesebb, mint 1 kWh
- 4 kg pamutmosás előmosással 90 fokon = 2 és ½ kWh
- heti mosás egy négytagú családnak = 10 kWh
Olajsütő: 1,3 kg sült krumpli kisütése = 1 kWh
Páramentesítő: 3 óra használat = 1 kWh
Párologtató: egy órányi használat = 1 kWh
Pirító: 60 szelet kenyér pirítása = 1 kWh
Számítógép: 3 órányi használat = 1 kWh
Szendvicssütő: 26-54 szendvics (folyamatos) elkészítése = 1 kWh
Teafőző: 35 csésze tea elkészítése = 1 kWh
Televízió (51 cm): 6-9 órányi használat 1 kWh
Vasaló: két óra használat = 1 kWh
Videó: egy napi felvétel = kevesebb, mint 1 kWh
Villanyégő:
- 40 W-os 25 órányi használata = 1 kWh
- 65 W-os 16 órányi használata = 1 kWh
- 100 W-os izzó 10 órányi használata = 1 kWh
Az adatok átlagteljesítményű eszközök szokásos használatát feltételezve, körülbelüli becslésen alapulnak.
Hasznos tanácsok:
- Az egyenáramú rendszerek esetében igen nagy áramok is előfordulhatnak, ezért a mindenkori vezeték keresztmetszetnek, igen nagy szerepe van.
- Az egyen áram vagy váltóáram a veszélyesebb? – Az egyenáramú ívhúzás veszélyesebb, mint a váltóáramú.
- Nem szinuszos inverterek esetében a zavarvédettséget ellenőrizni javasolt.
- Az akkumulátor sarkait sosem szabad rövidre zárni (ellentétben a napelemmel )
- Az akkumulátorra mindig „oda kell figyelni” még akkor is ha „gondozásmentes” – megéri!
- A megfelelő „tartási hőmérsékletet” az akkumulátor meghálálja.
- Az ipari méretű (kapacitású) akkumulátorok egyre nagyobb szerepet kapnak hálózat ellátási feladatokban, mert a megújuló alapú energiatermelés fontos kiegészítői.
- A mai akkumulátorok, alapanyagaikat és működési elvüket tekintve intenzív változáson fognak keresztül menni.
- A hálózati „interaktív” inverterek (például Growatt) többféle üzemmódra is képesek, ugyanolyan biztonsággal.
- Törekedjünk a legrövidebb kábelnyomvonal kialakítására.
- Ne akarjunk minden berendezést egyszerre használni! Osszuk el az igényeinket a napszakra (több napra ).
- Szigetüzemű invertert hálózatra kötni általában (vagy hálózattal egyenértékű energiaforrásra pl. generátor) TILOS és veszélyes!
- Tartalék (pót) áramforrások esetében győződjünk meg arról, hogy az inverter alkalmas-e ilyen összekötésre vagy sem.
- Mindig ügyeljünk a szigetüzemű rendszer szerelési sorrendjeire!
- A nap és a szél kihasználhatósága rendszerint ellenütemű.
- Az akkumulátort sose terheljük le mélykisütésig!
- Az akkumulátor szállítása különös gondot igényel (veszélyes anyag)!
Ha Ön is szeretne saját napelemes rendszert, kérjen ajánlatot. A kalkulációt követően 15 percen belül részletes, személyre szabott árajánlatot küldünk.
