Napelemes rendszerek

A napenergiát alapvetően kétféle módon lehet hasznosítani: aktív illetve passzív módon.

A passzív napenergia hasznosítás

 
A passzív napenergia hasznosítás eszközei alapvetően építészeti eszközök. Az épület tájolása, a homlokzat kialakítása eleve befolyásolja a várható hőnyereséget. A nyílászárók legjobban a délkeleti—déli—délnyugati homlokzaton hasznosítják a napsugárzást, a homlokzat tagoltsága, színe és anyaga szintén befolyásolják a passzív napenergia hasznosítást. A rögzített árnyékolókat úgy kell megszerkeszteni, hogy a téli évszakban alacsonyabban járó Nap sugárzását ne árnyékolják, de a nyári magasan járó Napét már igen. Másik megoldás a mozgatható árnyékolók alkalmazása, melyet kézi vagy automatikus beavatkozással lehet szabályozni. Az épület tömege, a falak, födémek hőtároló képessége jelentős, minél nagyobb tömeget képviselnek, annál nagyobb hőt képesek felvenni és tárolni, majd a napsütésben szegény időszakban leadni. A télikert építése a passzív hasznosítás egyik leghatékonyabb módja. Az épület szerves tartozékaként, tömegébe illesztve vagy a lakótér előtereként a télikert üvegezett felületeivel alkalmas a napenergia befogadására, ugyanakkor jól hőszigetelő is az épület belsejét. A napenergia passzív hasznosításában korszerű megoldás az ún. transzparens hőszigetelés. Ezt a berendezést az épületek napsütötte oldalfalain alkalmazzák. Fényáteresztő, de ugyanakkor jó hőszigetelő is, így csökkenti a hőveszteséget. Szerkezetét tekintve kívülről üveggel borított doboz, amelyben az üveg mögött a nyár
i túlmelegedés elleni védelem céljára beépített mozgatható árnyékoló, légrés, kis keresztmetszetű, a falra merőleges elrendezésű, fényáteresztő csövecskék, majd a tulajdonképpeni külső fal rétegei helyezkednek el. A transzparens hőszigetelés különféle kivitelben használatos. Lehet kapilláris szerkezetű, sok apró, üreges csövecskéből vagy szögletes méhsejtszerű vázból álló kivitel. Az anyag maga polikarbonát-alapú; a többnyire 3—10 cm hosszú csövecskék vagy sejtszerkezetek szilikon ragasztóval kerülnek fel az üveglap belső oldalára. A beérkező napsugárzás nagy része elnyelődik a kapillárisokban, majd a hő egy részét kisugározza, a nagyobbik részét pedig átadja a falfelületnek.
 

Az aktív napenergia hasznosítás

Az aktív napenergia hasznosításnak alapvetően két típusa van. Felhasználható közvetlenül hőhasznosításra, vagy pedig villamos energia előállítására.

Termikus hasznosítás

A fototermikus megoldás azt jelenti, hogy a napsugárzást folyadék vagy levegő közeget áramoltató átalakító eszköz (napkollektor) révén közvetlenül hővé alakítjuk. Ebben az esetben a közeg áramoltatása külön energiát igényel. A felmelegített folyadék felhasználása használati melegvíz előállítására történik, de egyéb más technológiai célok is szóba jöhetnek úgymint épületek, uszodák, növényházak fűtése; gyümölcsösök, növények szárítása, aszalása; intenzív akvakultúrák vízellátása.

Fotovillamos hasznosítás:

A fotovillamos hasznosítás során a napsugárzásból közvetlenül elektromos áramot állítunk elő. Erre napelemeket alkalmazunk. Ennek során a beérkező napsütést a napelemek egyenárammá alakítják, amit kétféleképpen használhatunk fel, sziget üzemű rendszerben, vagy hálózatra visszatápláló rendszerben. Ez a legegyszerűbb módja annak, hogy a napenergiából áramot állítsunk elő.

 1. A napelemes rendszer túl drága

A napelem modulok ára az elmúlt években folyamatosan csökkent. 2007 után, a hatalmas támogatások hatására rengeteg napelemes gyártósort helyeztek üzembe Európában és a Távol-Keleten, megnőtt a termelés, csökkentek a fajlagos gyártási költségek. Ezek után, amikor lecsökkentették az állami támogatások mértékét, csökkent a kereslet, ami az árak csökkenését vonta maga után. Közel egy éve az árak stagnálnak, enyhe inflációkövetés tapasztalható. Ez nagyon jó hír a fogyasztóknak, hisz 2007-ben, amikor hatályba lépett a kötelező átvétel az áramszolgáltatókra nézve, még két-háromszorosa volt a napelemes rendszer beruházási költsége.

2. A napelemes rendszer által termelt áramot a szolgáltató nem veszi vissza, vagy csak nagyon alacsony áron

A szaldós elszámolás révén amennyi villamos energiát elfogyasztunk, annyit át is vesz az áramszolgáltató ugyanazért az árért. Az állam 2007-ben törvénybe iktatta, hogy 50 kW teljesítményig kötelező az áram átvétele. Mindenhol meg van adva a lehetőség, hogy nullára csökkentsük a villanyszámlánkat. Ezért célszerű akkora teljesítményű napelemes rendszert tervezni, amekkora a saját fogyasztásunkat lefedi, erre szolgál a szaldós elszámolás, azaz az éves szinten megtermelt és elfogyasztott energia különbségét kell rendezni az áramszolgáltató felé. Ha a rendszer termelése teljes mértékben lefedi a fogyasztásunkat, akkor semmilyen fizetési kötelezettségünk nincs az áramszolgáltató felé.

3. A napelem telepítés nagy átalakításokat kíván a tetőn és a tetőszerkezeten

A napelem telepítés mindössze pár cserép felhúzásával, majd visszahelyezésével jár a tetőn. A tetőszerkezetek bőven túl vannak méretezve, semmilyen jelentős többletterhelést nem okoz a napelemes rendszerünk. A napelemes rendszer többi része, az inverter elhelyezése és kábelezése minimális villanyszerelési munkálatokkal jár.

4. A napelem nem elég hatékony, még mindig alacsony a hatásfoka

A napelem hatásfoka olyan adat, amely nem sokat mond a megtermelt energiával kapcsolatban. A napelemek legfontosabb jelzőszáma az egységnyi teljesítményre jutó megtermelt energia. Ezt a költséget kell szembeállítani a napelemes rendszer beruházási költségeivel. A legelterjedtebb napelem típus a polikristályos napelem (lásd napelem típusok), amelynek hatásfoka 12-15%. A monokristályos napelem, amely hatásfoka 18% is lehet, egységnyi teljesítményre vetítve nem termel többet, mint a polikristályos társai. A hírekben rendszeresen felbukkan az egyre nagyobb hatásfokú napelemek fejlesztési eredményei, jelenleg ez az érték 42-45%. Ezek fantasztikus eredmények és a technológia rohamos fejlesztéséről árulkodik, viszont több nyitott kérdés is van ezekkel kapcsolatban. A magasabb hatásfokú napelemek gyártástechnológiája nincs kidolgozva nagy mennyiségű napelem előállítására, ami csak a kisebb probléma. A nagy hatásfokú napelemek többféle félvezetőből állnak, szemben a széles körben alkalmazott szilíciummal. Az alapanyagok ritka félvezetők, nehezen beszerezhetőek és nagyon megdrágítják az előállítás költségeit.

5. A napelem nem termel felhős időben

A napelem legjobban tiszta időben, derékszögben érkező sugárzás mellett, alacsony hőmérsékleten termel. Azonban ez az állapot ritkán fordul elő. Mivel leggyakrabban az ideálistól eltérőek a tájolási és sugárzási viszonyok, a napelemek fontos tulajdonsága az egységnyi teljesítményre jutó egész éves energiatermelés. Ez magában foglalja azt, hogy felhős időben, télen mennyit termel. A szaldós elszámolás tovább erősíti azt a tényt, hogy a napelemes rendszer teljesítményét egész éves távlatban célszerű vizsgálni.

6. A házam tájolása nem déli, akkor nem is jó?

Nagyon kevés esetben fordul elő, hogy egy tető tájolása teljes mértékben déli. A dél-keleti illetve dél-nyugati tájolás is teljes mértékben megfelelő lehet, ugyanis az egész éves energiatermelésben nem jelent nagy eltérést, ha pár fokkal eltér a délitől. Szimuláció segítségével viszonylag pontosan meghatározható a várható energiatermelés.

7. A házam tájolása egyáltalán nem alkalmas napeleme telepítésére, akkor nem is tudok napelemet használni?

Lehetséges sík tetőre vagy talajra telepíteni a napelemeket. Ezek előnye, hogy a tájolás pontos beállításával maximalizálhatjuk az energiatermelést. A talajos tartószerkezetek alig növelik a beruházás összegét, valamint esztétikailag sem változtatnak sokat az épület összképen.

8. Érdemes-e várni a technológiaváltásra?

A jelenlegi gyártási technológiát 25-30 évvel ezelőtt dolgozták ki és tökéletesítették, majd a hatalmas támogatások hatására rengeteget telepítettek Európában és a Távol-Keleten. A jelenlegi gyártókapacitás lecserélése sem technológiailag, sem gazdaságilag nem indokolt. Ugyan a napelemeket folyamatosan fejlesztik és rendszeresen lehet hallani híreket 40% feletti hatásfokról, de ezek nagy mennyiségű előállítása korántsem kiforrott. Ezen túl az alapanyag költsége is magasabb, mint a jelenlegi, szilícium alapú napelemek esetében.

9. A napelemes rendszer valójában nem is működik 30 évig

Elsőre nagyon hosszú távnak hangzik ez a 30 év, egyáltalán, hol lehet látni 30 éves napelemes rendszert? Magyarországon valóban igen kevés ilyen korú napelem van. A világban viszont már régóta kutatják a napelemes áramtermelés lehetőségeit és jópár kísérleti rendszer működik 25-30 éve a világ számos pontján. 1973 óta, az első olajválság idején kezdték a napelemes fejlesztését, azóta egyre gyorsabb ütemben keresik az alternatívákat a fosszilis energiahordozókra.

10. Ha nem süt a nap, hogyan fogom használni a háztartási berendezéseket? Éjszaka mi történik?

A hálózatra tápláló napelemes rendszer esetében folyamatosan a hálózatra kapcsolódunk, így amikor nem termel a rendszer vagy csak nem termel eleget, a hálózatból vételezzük a szükséges áramot. A szaldós elszámolással az éves szinten megtermelt és elfogyasztott energia különbségét kell rendezni az áramszolgáltató felé.

A napelem szempontjából az energiatermelés a fontos, az akkumulátor szempontjából pedig a tárolás. Ez a két nagy energiával foglalkozó eszköz miért is ne működhetne együtt? Az akkumulátor egy rendkívül régóta ismert elektronikai eszköz, ugyan régebben kisebbek voltak a méretek, mint manapság. Az akkumulátorok eddig számítógépekben, telefonokban és órákban voltak megtalálhatók, természetesen a méretük és a teljesítményük az adott eszközhöz volt szabva. Egy idő után megjelentek a hosszabb energiatárolást és nagyobb teljesítményt igénylő rendszerek. Az akkumulátort gyártó cégek természetesen igyekeztek olyan módszereket kitalálni, melyek segítségével a lemerülés idejét el tudják tolni későbbre, bár ez csak ideiglenes megoldás lehet. Az első elektromos gépjárművek megjelenésekor a lehetőségek és az igények között rendkívül nagy különbség volt tapasztalható. Éppen ezért a Tesla cég alapítóembere, Elon Musk, valamint Warren Buffet, aki az egyik leggazdagabb ember a világon, befektették a pénzüket egy akkumulátor gyárba.

 
Ezzel azt kívánták elérni, hogy a napelem rendszerek terén az energiatárolásra szempontjából fejlődjön az akkumulátorok piaca, így nagy kapacitású és új fejlesztésű akkumulátorokat kívántak gyártani. Ennek köszönhetően valószínűleg a nem túl távoli jövőben eljöhet az az idő, hogy az otthonunk teljesen önellátóvá tud válni az energia segítségével, hiszen a napelem gyűjti az energiát, az új fejlesztésű akkumulátorok pedig hosszú távon tárolják azt. Mégsem annyira távoli jövő viszont Németországban ez az elképzelés, sőt, inkább már realitásként beszélhetünk róla, hiszen Szász-Anhalt tartományban egy akkora akkumulátor rendszer épül, amely képes eltárolni egy teljes település energiaszükségletét. Ez az akkumulátor a település szélenergia és a napelem által megtermelt napenergia tárolását fogja megoldani.

A világban azonban nem csak családi ház méretű napelemes erőművek épülnek, hanem hatalmas, MW méretű erőművek is. És ebben a méretben már komoly kihívás az akkus tárolás, se költségszinten, se fizikai korlátai miatt nem tűnik járható útnak. Itt jöhet szóba a másik nagyon izgalmas téma: a szintetikus gáz, vagy P2G technológiák.

A villamosenergia gázzá tárolása régóta ismert, ebből is a legismertebb a víz hidrolízisével hidrogén előállítása, ami utána teljesen tisztán és CO2 kibocsátás nélkül újra energiává alakítható. Azonban a hidrogénnel több gyakorlati problémát sem sikerült még megoldani, a tárolása nehézkes, és egy teljesen új rendszert kell felépíteni az előállítás, elosztás-szállítás és felhasználás területén.
Emiatt is izgalmas G2P fejlődési irányok másik területe, a szintetikus metán és szintetikus földgáz előállítása. A szintetikus gáz számos előnyt rejt magában:

•    a villamosenergiával szemben a gáz tárolása szinte megoldott kérdés. Például csak Európában minden ország komoly gáztározó kapacitással rendelkezik, amik révén akár hónapokra is tárolni lehet nagy mennyiségű gázt a föld alatti tárolókban. Magyarország ebben például kiemelkedően jó tárolási lehetőségekkel bír.
•    szezonális kiegyenlítést nagymértékben segítheti a napelemes rendszereknél: a nyári, napsütéses plusz termelés gáz tárolásával könnyen átvihető a téli időszakra is.
•    a gáz szállítása megoldott és olcsó: egész Európában könnyen eljuttatható, és a villamosenergia szállítási veszteségéhez képest (nagyobb távolságon) gazdaságosabb is
•    nem kell új infrastuktúra: gázvezetékek mindenhova eljutnak, szinte minden házhoz Európában, tehát nem kell új rendszert kiépíteni, mint a hidrogén esetén. Ráadásul a gáz felhasználása és akár újra villamosenergiává alakítására is kialakult mára, ipari méretben pedig rendkívül kifinomult, és magas hatásfokú hatásfokú erőművek és gázmotorok rendelkezésre állnak ma is.

Nem véletlen, hogy az áram gázzá alakításával és gáztárolási megoldásokkal a világ legnagyobb cégei is fantáziát látnak: a nagy áramszolgáltatóktól (EON, EDF) a villamossági cégeken át (AEG, Siemens) egészen az autógyárakig sokan dolgoznak ezen.

A hálózatra visszatápláló rendszer célja, hogy a saját villamosenergia szükségletünket megtermeljük. Az áramszolgáltató a szaldós elszámolással segíti a napelemes kiserőmű tulajdonosokat. Ez röviden azt jelenti, hogy a termelt és fogyasztott energia különbségét kell rendezni. Érdemes annyit termelni, mint amennyit fogyasztunk, illetve valamivel kevesebbet, mert a többlettermelés megtérítése jelentős adminisztrációval jár illetve a hálózathasználati díj levonásra kerül az áram árából. A hálózatra tápláló napelem rendszer árának 50-75%-át teszi ki a napelem ára. Az inverter kb 15-20%-t tesz ki, a fennmaradó rész pedig a tartószerkezet illetve a különböző csatlakozó szerelvények. A napelem rendszer árát kismértékben befolyásolja a felhasznált anyagok és elemek minősége, ugyanis az első osztályú, minőségi napelem rendszer alig kerül többe, mint az alsókategóriás megoldások. Az a pár százalék hosszú távon hatalmas különbségeket eredményez, ugyanis egy napelemes rendszert 25-30 évig gond nélkül lehet használni, teljes mértékben gondozásmentes.
A hálózatra visszatápláló rendszer a következő fő részekből áll:
•    Napelem:
A rendszer alapvető szereplője. A Nap energiáját felhasználva elektromos áramot állít elő. A napelem, más néven fotovillamos elem ún. félvezető anyagból készül. A félvezető leggyakrabban szilícium (amorf vagy kristályos) alapú.
•    Inverter:
A napelemek által előállított egyenáramot alakítja át a hálózatra csatlakoztatható váltakozó árammá, így teszi lehetővé a fogyasztók működtetését a rendszerről. Ez az átalakító, a maximális teljesítményre szabályozást is el tudja végezni.
•    Tartószerkezet (szerelőkeret):
Mivel a felhasználás módja szerteágazó, a napelemek rögzítéséhez többféle szerelőkeretet kell alkalmazni. Leggyakoribb a tetőszerkezethez való rögzítés, de önálló, akár napkövető állványrendszer használatára is van lehetőség.
•    Szerelvények, kábelek:
A tetőkampók, a szerelőkeretek tetőszerkezethez való rögzítését szolgálják.
A szolárkábel a rendszer tartozékait kapcsolja össze, szerepétől és az áthidalandó távolságoktól függően változhat átmérője.
Napelem-specifikus csatlakozók: A napelemek saját csatlakozókkal rendelkeznek, melyeknek szigorú előírásoknak kell megfelelniük a biztonságos szerelés és üzemeltetés érdekében.
•    Túlfeszültség védő modul:
Feladata a villámcsapás, illetve kapcsolási folyamatok által megjelenő túlfeszültségek korlátozása, hogy azok már ne okozhassanak meghibásodásokat. Tehát a külső villámvédelem önmagában nem elegendő az ilyen jellegű zavarok kiküszöbölésére.
•    Oda-vissza mérő óra (ad-vesz mérőóra)