Environmental protection | Studies, essays, thesises » Matusz-Kalász Dávid - Energiaforrások és erőműveik

ENERGIAFORRÁSOK ÉS ERŐMŰVEIK GEVEE518-B elmélet Őszi félév, nappali tagozat Oktató: Matusz-Kalász Dávid NAPENERGIA HASZNOSÍTÁSA 4. előadás A legnagyobb potenciállal bíró megújuló A napsugárzás nem csak a földi élet egyik alappillére, hanem számos természeti jelenség mozgatórugója, kiinduló energiaforrása is. A szél, amely egy másik jelentős megújuló energiaforrásunkként van számon tartva a nap által különböző mértékben felmelegített és ebből adódóan eltérő nyomású területek közt kialakuló levegőáramlás. Hasonlóan a tengeráramlatok kialakulásában is jelentős a Nap szerepe. A legnagyobb potenciállal bíró megújuló A Föld atmoszférájának határára a Napból 1,37 kW/m2 energiájú sugárzás érkezik, ezt nevezzük napállandónak. Manapság egyre több és szigorúbb méréseket végeznek a napállandó meghatározására vonatkozóan. A napállandó az a számérték, amely meg-adja, hogy átlagos

Föld-Nap távolságban, a légkör felső határán, a sugárzás haladási irányára merőleges egységnyi felületre időegység alatt mennyi energia esik. Napjainkban az elfogadott átlagos értéke 1 353 W/m2 A legnagyobb potenciállal bíró megújuló Mivel a Föld a Nap körül ellipszis pályán kering, − melynek gyújtópontjában a Nap van − ezért a Föld-Nap távolság folyamatosan változik, így a napállandó is 1 307 W/m2 és 1 398 W/m2 értékek között ingadozik az év során. A legnagyobb potenciállal bíró megújuló A Föld felszínét elérő sugárzás mennyisége nagymértékben változik a földrajzi szélesség és a felhőzet helyi eloszlása függvényében. A Térítők mentén erdőben szegény, száraz szubtrópusi területeken a sugárzás értéke 70% az átlagos 49%-kal szemben. A legnagyobb potenciállal bíró megújuló Az energia mennyiség mellett a sugárzás összetétele is nagy jelentőségű a földi élet

szempontjából. A növényzet a kék és vörös fényt nagy értékben elnyeli, míg a zöld tartományban kismértékű a megkötés. Főleg az alacsonyabb tartományba esőt nem képes megkötni. Az el nem nyelt energia visszaverődik vagy áthatol a növényen. A szárazföldi növények a fotoszintézisre alkalmas sugárzás 50%-át hasznosítják. A fotoszintetizáló zöld növények (termelők) a megkötött fényenergia mintegy 1,0%-át képesek kémiai energiává átalakítani, azaz ennyi az energia hasznosulás átlagos földi értéke. Ennek egy részét saját anyagcserefolyamataikhoz használják el, a másik részét pedig raktározzák, és ez a raktározott energia mennyiség jut be a táplálék láncba. A napsugárzás szóródása A napsugárzás energiája jelentős mértékben lecsökken mire a földfelszínre ér, így maximálisan 1.000 W/m2 fényintenzitás tapasztalható szép, napos nyári időben. A Napból érkező sugárzás a sztratoszféra külső

határára érkezve a légkör egyre sűrűbb rétegeibe hatol. E folyamat közben számos fizikai jellemzője megváltozik. A Napból érkező, a felső légkört elérő energiát tekintve 100%-nak, a földfelszínt 33% direkt- és 18% szórt sugárzás éri el. A kettő összege adja a globálsugárzás értékét, melynek a 10%-át a felszín visszaveri és ennek csak 5%-a nyelődik el a légkörben, a többi a világűrbe távozik. Homályossági tényező Az eddig elmondottak ideális, tiszta légkörre vonatkoztak. A valódi légkörben a természetes és civilizációs szennyeződés miatt a direkt sugárzás tovább csökken. A légkör sugárzáscsökkentő tulajdonságát a homályossági tényezővel (Ht) jellemzik, amely megadja, hogy a légkör a sugárzás mekkora részét engedi át. Sajnos a homályossági tényező egyre romlik: Budapesten 1965-ben 0,4-et, 1993-ban viszont már csak 0,25-t mértek. A homályossági tényező tapasztalati, tájékoztató értékei

a következő: • zavartalan természet, tenger Ht = 0,6 − 0,7; • mezőgazdasági terület, falu Ht = 0,4 − 0,5; • kis- és közepes város Ht = 0,3 − 0,4; • ipari környezet Ht = 0,2 − 0,3. Elnyelődés, veszteségek Az ultraviola sugárzás nagy része a légkör felső rétegeiben szűrődik ki. Az alsóbb rétegekben lévő szilárd szemcsék (por, aeroszol, korom) hatására szóródik, visszaverődik és elnyelődik a sugárzás, ezzel energiája lecsökken és haladási iránya is megváltozik. Másrészről, a légkört alkotó egyes molekulák, a megfelelő hullámhosszokon elnyelik a sugárzás energiáját. Rövidhullámú tartományban (ultraibolya-kék) az ózon és a vízgőz, míg hosszúhullámon (vörös-infravörös) a szén-dioxid, metán és a dinitrogén-oxid abszorbeálja (nyeli el) a fény egy részét. A meteorológiai képződményeket (felhőket) figyelmen kívül hagyva a teljes gyengülést a Beer-Bourget-Lambertösszefüggéssel adhatjuk

meg. Beer-Bourget-Lambert- összefüggés ahol: �� = ��∞ � −�� �� – spektrális intenzitás a felszínen, ��� +��� +�� ��∞ – spektrális intenzitás a légkör külső határán, ��� – a Rayleigh-szórás optikai mélysége, ��� – az aeroszol-szórás optikai mélysége, mo – optikai légtömeg = 1 sin ℎ� ho – napmagasság (óraszög). , Elnyelődés, veszteségek • Ha felhők is jelen vannak a légkörben, akkor azok széles hullámhossz tartományban visszaverik, elnyelik, illetve átengedik a sugárzást. Ezen értékek jelentősen függenek a légkör állapotától, a meteorológiai viszonyoktól. A direkt sugárzás arányának csökkenésével a napsugárzás hasznosítható energiája is csökken, de nem szabad megfeledkezni a szórt sugárzás energiatartalmáról, hisz az még egy borult téli napon is minimálisan 50 W/m2 nagyságú. Szórt és direkt sugárzás Megfigyelhető,

hogy a sugárzás legnagyobb része a nyári hónapokban érkezik a felszínre. Magyarország globál-sugárzása A legtöbb energiamennyiség a Balaton környékére és Dél-Magyarországra jut. Azonban az Észak-Magyarországra jutó energiamennyiség is jelentős mértékű, így az ország szinte teljes területe alkalmas napenergiát hasznosító rendszerek telepítésére. A sugárzás erőssége egységnyi, ha a sugárzás irányára merőlegesen állított felület 1 m2-én 1 másodperc alatt 1 joule sugárzási energia áramlik át. Egysége a W/m2. A besugárzást a sugárzás erősége és a sugárzás idejének szorzata adja J/m2 egységben. A globális sugárzás évi átlagos eloszlása (MJ m2) Európában A globális sugárzás évi átlaga a Sarkkör vidékén 2900 MJ/m2. A Hága, Stockholm, Szentpétervár vonalon 3300, míg Portó, Marseille, Róma, Alföld (M.o), Krím-félsziget vonalán 5000 MJ/m2 évente az átlagos globális sugárzás. Európa déli

szegélye (a Földközi-tenger partvidékei) viszont már 6280 MJ meleget kap évente m2-enként. Munkafelület elhelyezése A munkafelület (napelem, napkollektor, fókuszáló tükör) akkor hasznosítja a napenergiát a legnagyobb hatásfokkal, ha ara merőlegesen érkezik a napsugárzás. Ez azt jelenti, hogy a munkafelületnek le kellene követnie a Nap járását. Ez azonban igen költséges megoldás lenne Kielégítő eredmény érhető el a munkafelület megfelelő tájolásával, ha figyelembe vesszük az észak-déli irányt és a napsugárzás téli és nyári beesési szögeit. A déli tájolás feltétlenül fontos, a dőlésszöget pedig a napkollektor, vagy a nap-elem hatásfoka és a földrajzi szélesség határozza meg. Minél nagyobb a hatásfoka, annál kisebb dőlésszöget választhatunk, hogy a tavaszi és őszi napsütést is ki lehessen használni. Magyarországon a napkollektorok és a napelemek dőlésszöge általában 40 − 70 ° között változik.

A napsütötte órák száma Magyarországon A sugárzás időtartama, vagy napfénytartam az a szám, amely megadja, hogy valamely időszak (óra, nap, hónap, vagy év) alatt hány órán át sütött a Nap. A napsütés küszöbértéke 200 W/m2 direkt sugárzás. A napsugárzás időtartamát a Campell-Stokes-féle napfénytartam-mérővel mérik. A besugárzás évi összege hazánkban 4.100 − 4700 MJ/m2, a sugárzás időtartama 1900 − 2150 óra között változik. Ahogy a korábban vetített ábrákon láthattuk, Magyarország Déli területein magas a napsütéses órák száma, így ezeken a tájegységeken optimálisan lehetne üzemeltetni naperőművek. A napfénytartam évi átlagos összegének (óra) eloszlása Európában A napsütés időtartama két komponens mentén változik, egyrészt északról dél felé, valamint nyugatról kelet felé is növekszik. A napfénytartam ennek megfelelően Nyugat-Skóciában a legkevesebb, ahol évente alig 900 órát süt

a nap, de a Brit szigetek sem kap több napsütést évi 1000-1400 óránál. Kelet felé Berlin-Prága vonalánál éri el az 1600 órát évente. Skandináviában 1600 óráról dél felé 2000re nő. Skandinávia központi kontinentális részén annyi a napfénytartam, mint a magyar alföldön. Kelet-Európában 2400 órára, Európa déli szegélyén 2800 órára növekszik a napsütéses órák száma. A legmagasabb évi napfénytartam az Ibériaifélsziget déli partjain tapasztalható, ahol eléri a 3400 órát. A napsugárzás intenzitásának spektrális eloszlása Az említett tényezők hatására nem csak a sugárzás összteljesítménye változik, hanem spektrumszerkezete is módosul. A Nap fotoszférája (a nap felszíni rétege) ideális, úgynevezett abszolút fekete sugárzónak tekinthető. Ilyen esetben a sugárzó test hőmérséklete egyértelműen meghatározza a kibocsátott sugárzás spektrális eloszlását, a kibocsátott energia maximumhoz tartozó

hullámhosszt és a kisugárzott összteljesítményt. Ezeket rendre a Planck-függvény, a Wien-féle eltolódási és a Stefan-Boltzmann-törvény adja meg. A napsugárzás intenzitásának spektrális eloszlása • A Napból érkező hőmérsékleti sugárzás legnagyobb intenzitását ʎ=0,5 μm-nél találjuk. Az ibolyakéktől (ʎ=0,4 ��) a bíborvörösig (ʎ=0,8 ��) tartó, legnagyobb intenzitású tartomány a látható fény tartománya. A ʎ=0,4 �� alatti rész ultraibolya (UV), míg a ʎ=0,8 ��-nél nagyobb hullámhosszokhoz tartozó sugárzást infravörös (IR) sugárzásnak nevezzük. Napszimulátorok Napenergia hasznosításának módjai • Passzív • Aktív I. Naperőművek (termikus) a) hagyományos erőműveknél is alkalmazott körfolyamatot működtet b) nap által felmelegített meleg levegő áramlási energiáját alakítja át II. Napkollektorok III. Napelemek Napenergia passzív felhasználása • az

épületek tájolásában és kialakítása • gyakorlatban legtöbbször alkalmazott megoldások a következők: • nagy benapozott üvegfelületek, napterek, • télikert és átrium kialakítása, • transzparens hőszigetelés, tömegfal, vagy tromble-fal alkalmazása Transzparens hőszigetelés • A „hagyományos" transzparens hőszigetelő anyagok (TH) az átlátszatlan (opaque) hőszigetelésekhez hasonlóan jó hőszigetelők, de azoktól eltérően – fényáteresztő anyaguk, sajátos anyagszerkezetük révén – a felületükre eső napsugárzás passzív hasznosítását is biztosítják azáltal, hogy a mögöttes hőtároló épületszerkezetek felmelegedését lehetővé teszik, miközben egyenletes, káprázásmentes, szórt természetes megvilágítást is biztosítanak a belső térben. • Télen a napsugárzás a transzparens hőszigetelésű üvegfalon keresztül áthaladva (a hőcsapdaelv alapján) hasznosul az üvegfal mögötti

hasznosító térben. • Nyáron, az üvegfal mögötti tér túlmelegedésének elkerülése érdekében hatékony külső mozgatható árnyékoló szerkezetekkel, vagy a külső üveglap és a transzparens hőszigetelés közötti légrésben elhelyezett közbenső mozgatható, fényvisszaverő bevonattal ellátott mozgatható ponyva, illetve zsaluzia alkalmazható. A mozgatható árnyékoló szerkezetek működtetésére gyakran alkalmaznak fotovillamos rendszerrel meghajtott csőmotorokat. A tömegfal energetikai működési elve A napsugárzás 15-20%-át az üvegfelület visszaveri. Az üvegezésen átjutott maradék hányad 80-90%-a tömegfal külső síkján elnyelődik. Az elnyelt hő egy része - a tömegnek megfelelő késleltetéssel a helyiségbe jut. A külső oldalon is felmelegedett tömegfal felülete konvekcióval melegíti az üveggel bezárt légréteget, illetve infra tartományban kifelé is sugároz. A tömegfal energetikai hatékonyságát jelentősen

befolyásolja, hogy az infra tartományú hőt milyen hatékonyan lehet a nagy tömegű fal és üvegezés között tartani. A tromble fal működése • Indirekt napenergiát gyűjtő épületszerkezeti elem. A trombe fal egy jó hővezetőképességű, nagy tömegű fal, melynek nap felé néző oldala hőelnyelő felület, mely a hőveszteségek csökkentése érdekében üvegezéssel burkolt. A tömegfal és a fűtött tér között alul-felül zárható csappantyúkat helyeznek el. • A tömegfal külső felületét nagy hőelnyelő képességű, sötét felületképzéssel látják el. Az ablakon átjutó napból érkező sugárzás jelentős részét ez a felület nyeli el A nagy hőtároló- és hővezető-képességű fal az elnyelt energiát késleltetve jutatja a helyiségbe. Az átszellőzők, gravitációs hajtóerővel képesek a levegő segítségével jóval kisebb késleltetéssel a hőt a fűtendő helyiségbe szállítani. • Az árnyékoló az éjszakai

veszteségáramokat csökkenti télen, nyáron napközben a túlzott felmelegedés ellen véd. Az üvegfelület ellátható kiszellőztetést segítő szárnyakkal melynek célja a nyári hő-védelem. A csappantyúk éjszakai zárva tartásának páravédelmi okai is vannak. Naperőművek - Napteknő • A napteknő erőműveknél a teknő alakú homorú tükrök a nap mozgását lekövetik. A tükrök fókuszában egy cső található, benne hőátadó folyadék kering és veszi fel a hőt. • A működése hasonló a kollektorokéhoz. • Ez esetben nem csak használati melegvíz, hanem villamos energia előállítása is a cél. • A tükrök egy speciális görbét írnak le, ami leginkább a parabolára hasonlít, így az alábbi képlettel írható le: � = � ∙ �2 + � ∙ � + � Naperőművek - Napteknő A parabola alakúra hajlított tükrök az összes rájuk vetülő fényt egy pontba a fókuszpontba koncentrálják. A hőgyűjtőt a

fókuszpontba kell elhelyezni, mely abszorber (fényelnyelő) anyaggal van bevonva. Ami rendszerint egy cső, belsejében pedig hőátvevő folyadék kering. Az abszorber a napfény jelentős részét elnyeli és hővé alakítja, majd átadja a folyadéknak. Ha az abszorberrel bevont csövet, vagy csöveket vákuumcsőben helyezzük el, a cső felületén keletkező hő csak a folyadék irányába tud elnyelődni, a hatásfok ez által tovább növelhető. Nagyobb mennyiségű hő esetén úgynevezett mikroturbinával, kisebb mennyiségnél pedig Stirling-motorral érdemes villamos energiát előállítani. Naperőművek - Napteknő A tükrök mozgatása, bár energiaigényes, de használata nélkülözhetetlen a hatásfok javítása érdekében. A Nap lekövetését egy automatika végzi, online adatgyűjtés segítségével. Ilyen erőművek üzemelnek Egyiptomban, Marokkóban, Indiában, Dél-Afrikában, Mexikóban és többek között Iránban is. Jelenleg 15 MWp és 50 MWp

csúcsteljesítmény közöttiek üzemelnek, viszont a hatásfokuk (6 - 12%) kisebb, mint a naptorony erőműveknél tapasztalt értékek (átlagosan fele-harmada). Az erőműi technológiák a szárazgőzön alapulnak. A napenergia, vagy a gázkazán által megtermelt nagy nyomású (10 bar) és magas hőmérsékletű (395 °C) vízgőz hőcserélőkön keresztül meghajtja a turbinákat. A turbina egy, a hálózatra kapcsolt szinkrongenerátort forgat meg, ami háromfázisú villamos energiát termel. A turbinából a fáradt gőz egy kondenzátoron (hőcserélőn) keresztül halad, ahol a hűtővíz lehűti. Naperőművek - Napteknő • Hátrányuk a szakaszos üzemelés. • Borús időszakokban általában földgázüzemre állnak át a folyamatos áramellátás érdekében. • Bár egy naperőmű bekerülési költsége azonos teljesítmény mellett meglehetősen magas, sokszorosa is lehet egy hagyományos szén-, olajés földgáztüzelésű, vagy egy atomerőműnek.

Naperőművek - Naptorony • Nagy felületű és napkövető síklap tükröket úgy helyeznek el koncentrikus körben, hogy azok a visszaverődő sugarakat egy magas betontoronyra gyűjtsék össze. Az ott elhelyezett vízzel telt csövekben nagynyomású gőz keletkezik, amivel áramfejlesztőket lehet működtetni. • A naptorony erőművek tükörrendszere álló vagy mozgatható tükrökből áll. Naptorony-erőművek működnek Amerikában (Kalifornia és Mexikó), Ázsiában (Izrael és Japán), valamint Európában (Franciaország és Németország) is. Az erőművek toronymagassága 60 és 450 m között változik. A tükrök száma 100 − 2.000 db A tükröző felületek nagysága 1000 m2 − 1,6 km2, teljesítményük 60 kWp-től 50 MWp-ig terjed. A napsugárzások kis energiasűrűsége miatt a naperőmű igen nagy területet foglal el, fajlagos területigényüket 30 − 90 m2/kW-ra becsülik. Naperőművek - Naptorony • Fejlődése: 80-as évek: ~10MWp és

25% hatásfok 90-as évek: ~10MWp és 35% hatásfok ezredforduló után: >20MWp és 65% hatásfok is elérhető • Tükrök mozgatása vezérlő elektronikával, jobb hőelnyelő közeg keresése (sóoldatok). Naperőművek - Naptorony Naperőművek - Naptányér A naptányér első pillantásra úgy néz ki, mit egy parabolaantenna. A homorú tükör, ami szintén leginkább egy parabola egyenletével írható le, a fókuszvonalába koncentrálja a fényt. A nagyméretű (parabola)tükrök nehézkes kivitelezhetősége miatt gyakran több kisebb tükröt használnak. A hőátadó pedig ilyenkor a közös fókuszpontban helyezkedik el. Az állványzat ebben az esetben is leköveti a Nap mozgását. Az egymagában álló naptányérok teljesítménye kicsi és hatásfokuk se mondható kiemelkedőnek. Azonban csoportos létesítésük teljesítménye és hatásfoka is a közepes kategóriába esik (8-20%). Ez annyit jelent, hogy a naptorony és a napteknő között

helyezkednek el. Naperőművek - Naptányér Ismerve a parabola fókuszálási szabályait meg lehet határozni, hova kell elhelyezni a hőelnyelőt (abszorbert). Így a naptányér teljes felületére érkező napsugárzást egy pontba képes koncentrálni. Naperőművek - Naptányér A tartály hőközvetítő folyadékot (általában vizet, ritkábban thermo-olajat) tartalmaz, melyet közvetlenül fűtési célokra, vagy villamosenergia-termelésre alkalmaznak. A hő-kezelő berendezést rendszerint a berendezés hátuljára, mintegy ellensúlyként helyezik el. Ha villamosenergia-termelésre használjuk, akkor ebben a „dobozban” található a generátor egység. Erőműi alkalmazása nem nagyon ajánlott, így inkább csak kisebb közösségek energiaellátására alkalmas. Naperőművek - Napkémény A napkémény erőmű esetén egy viszonylag nagy területet borítanak be köralakban üveglapokkal, vagy műanyaggal. E szerkezet a közepe felé haladva emelkedik,

és ott helyezkedik el egy kémény. A toronyban egy vagy több szélturbina található A földfelszín és a kör között a levegő képes cirkulálni. Napsütés hatására az üveg (vagy műanyag) alatt található levegő felmelegszik. A toronyban a meleg levegő felszáll, mozgásával a turbina la-pátjait megforgatja. A turbinához generátor csatlakozik, mely a mozgási energiát villa-mos energiává alakítja. 50 kWp esetén: 240 m átmérőjű kollektor felület, 200 m magas kémény, 10 m kéményátmérő (tesztüzem, Spanyolország) 5 MWp esetén: 1 100 m (kollektor), 450 m magas kémény, 27 m átmérővel Naperőművek - Napkémény Ahhoz, hogy egy kisebb nukleáris erőművi blokkot is képes legyen kiváltani: 200 MWp esetén: 5 000 m átmérőjű kollektor, 1 000 méter magas, és 150 méter átmérőjű kémény szükséges. Naperőművek összehasonlítása Kollektor típusa: Teknő Tányér Torony Jellege: Farm Farm Torony

Koncentrálóképesség: 10 - 100 100 - 600 100 - 1000 Elnyelő hőmérséklet [C°]: 150 - 350 400 – 900 450 - 1200 Hatásfok [%]: 6 - 12 8 - 20 15 – 25 Teljesítményre vetített kollektorfelület igény[m2/kW]: 20 - 10 16 - 6 8–5 Telj. vet beépített felület igény [m2/kW]: 80 - 40 60 - 25 40 - 20 Hűtőfolyadék: termo-olaj termo-olaj - Munkaközeg: szerves foly., víz víz, gáz víz, levegő, hélium, nátrium Turbina típusa: gőzturb., Stirling-m gőzturb, Stirling-m gőz-, gázturbina OTEC - Ocean Thermal Energy Conversion • Napenergiát hasznosít – a Nap felmelegíti a felszíni vizeket • Folyamatos energiaellátást biztosít • Felszíni vízhőmérséklet miatt trópusi környezeteben üzemeltethető • Az igen kis (20°C) hőmérséklet-lépcső miatt hatásfoka igen alacsony (1-3%). • RC/ORC körfolyamat OTEC típusok • • Telepítés helye: ➢ Szárazföldi ➢ Self-re telepített ➢ Úszó

Körfolyamat típusa szerint: ➢ Zárt ➢ Nyitott ➢ Hibrid OTEC - megvalósítása Sóstavi-naperőművek • A sós tavakban a felületen elnyelt sugárzás által felmelegített víz a tófenéken gyűlik össze, és a felszíni hőmérsékletnél 50-60°C-kal nagyobb hőmérsékletű lehet. Szerves gőz munkaközegű Rankine-körfolyamattal turbinagenerátorrendszer működtethető • Több kísérleti rendszer üzemel. Sóstavi-naperőművek működése Napkollektorok A napkollektorok melegvíz előállítására használatos eszközök, melyekkel a használati melegvíz (HMV) előállításának-, vagy éppen a fűtési rendszer energiaszükségletének egy részét lehet kiváltani. Két fő típusú napkollektort különbözetünk meg, a síkkollektort és a vákuumcsöves napkollektort. • A síkkollektor lemezes szerkezetű, hátlapja hőszigetelt, felső lapja üvegből készül, amely a hatásfok javítása érdekében gyakran szelektív üveg.

• A vákuumkollektor henger alakú hőelnyelő felületet rejt a kollektor ház. A vákuumcsöves napkollektorok lelke a vákuum, ami megközelítőleg 5 ∙ 10-4 Pa. A közvetlen hőátadást megvalósító vákuumcsöves kollektorok két altípusa a koaxiális. Közvetett hűtésre a „Heat Pipe” típusú napkollektorokat alkalmazzák Napkollektorok Napkollektorok hatásfoka • Síkkollektor esetén kb. 60 % számos veszteség miatt, - konvektív veszteség – 13% - sugárzási veszteség – 6 % - elnyelő lemez vesztesége – 8% - üveg fényvisszaverése – 8% - űveg elnyelése – 2% - hőszigetelés vesztesége – 3% Hőtermelés napon belüli megoszlása CPC - Compound Parabolic Concentrator Heat Pipe napkollektorok Egy speciálisan kialakított és speciális folyadékkal töltött rézcső csatlakozik a hőgyűjtő - hőleadó fejbe. A fűtőcsövek gyűjtik össze a nap melegét, azt átadják a hőgyűjtő idomban áramló

fagyálló folyadéknak. Ezt a felmelegített glikolos folyadékot vezetjük a puffertároló hőcserélőjébe. A hőcserélő leadja a hőenergiát a tartály vizének. A napkollektorban mindig ugyanaz a folyadék kering, ezért nevezzük ezt a rendszert zárt rendszernek. Heat Pipe napkollektorok A hőgyűjtő cső egyszerű, de érdekes tulajdonsággal felruházott szerkezet, mégpedig a benne levő folyadék miatt. Ebben a zárt csőben levő folyadék forráspontja alacsony. A fűtőcső és a benne levő folyadék felmelegszik, gázneművé alakul és felfelé törekszik a hőgyűjtő fejbe. Itt a keringtetőszivattyú által áramoltatott glikolos folyadék lehűti a fejet, a gáznemű anyag cseppfolyóssá válik és visszacsorog a cső aljába. A folyamat ismétlődik, újra meg újra. Heat Pipe napkollektorok A hőgyűjtő csőbe csatlakoznak a fűtőcsövek. A hőgyűjtő idomban lévő furat, melybe a fűtőcsövet kell beilleszteni, le van választva a

kollektorban keringő hőszállító folyadéktól. A fűtőcső meghibásodásakor (például az üveg eltörésekor) nem kell leengedni a fagyállós folyadékot, lényegesen egyszerűbb a csőcsere. A vákuumcső egyszerű kihúzással illetve betolással cserélhető. Bár egyszerű javítani, mégis ajánlott szakembert megbízni a munkával, aki tudja hogy hol és hogyan kell megfogni a néha rendkívül felforrósodott vákuumcsövet, illetve a fűtő rézcsövet. Ennél a megoldásnak kifejezeten az előnyére írható, hogy ha eltörik egy vákuumcső, akkor az nem hűti le a többi csövet, mint az U csöves kialakítás. Napkollektorok hatásfoka �� − �� � = �0 − � ∙ � − � ∙ �� ∙ � �ℎ�� � = �� 2 �0 [%] : optikai hatásfok � [W/m2∙K], � [W/m2∙K2] : méréssel meghatározott tényezők �� [W/m2]: merőlegesen érkező globális napsugárzás �� [C°,K]: a kollektorban keringő hőátadó folyadék

közepes hőmérséklete �� [C°,K]: a külső hőmérséklet Kollektor hatásfoka és környezeti hatások Számpéldák Alapadatok Hatásfok Nyári, napos 0,79 �0 a 4,19 b 0,011 Nyári, felhős 0,79 �0 a 4,19 b 0,011 Téli, napos 0,79 �0 a 4,19 b 0,011 Átmeneti, borult 0,79 �0 a 4,19 b 0,011 Tk Tm Gk X 34 60 1100 0,024 Tk Tm Gk X 28 60 900 0,036 Tk Tm Gk X -15 30 600 0,075 Tk Tm Gk X 10 30 190 0,105 � 0,684 � 0,629 � 0,439 � 0,326 Napkollektorok összehasonlítása Napkollektoros rendszerek http://www.zeroenergyhu/ Napkollektoros melegvíz előállítás Napelemes használati melegvíz Napelemes használati melegvíz és kazánrásegítés KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! ENERGIAFORRÁSOK ÉS ERŐMŰVEIK GEVEE518-B elmélet Őszi félév, nappali tagozat Oktató: Matusz-Kalász Dávid A NAPELEMES ERŐMŰVEK ÉS RENDSZEREK 7. előadás A napenergia hasznosítása a legelterjedtebb • A megújuló

energiák között a napenergia hasznosítása fejlődik a legdinamikusabban. Ezen belül pedig a napelemekkel való áramtermelés a legjellemzőbb. Áramra van a legnagyobb szükségünk, ennek megfelelően folyamatosan növekszik erre az igényünk. A napenergia különösen alkalmas arra, hogy az emberiség igényét kielégítse ezen a területen, ugyanis nem fogy el, és a környezetet sem károsítja. • A naperőművek használata azért is kifizetődő, mert szakszerű telepítést követően gyakorlatilag nem jár költségekkel: nincsenek mozgó alkatrészek, amik elkophatnak, így csak minimális ellenőrző személyzetre van szükség. A minőségi anyagokból készült napelemek ellenállnak minden környezeti hatásnak, hidegnek, melegnek, hónak és a jégesőnek is. Évenkénti megújuló energia potenciál Szél 3084 ∙ 1013 kWh/év Nap 152 424 ∙ 1013 kWh/év Óceán 762 ∙ 1013 kWh/év Fogyasztás 9,5 ∙ 1013 kWh/év Biomassza 152 ∙ 1013 kWh/év

Víz 4,8 ∙ 1013 kWh/év Magyarország ideális a naperőműveknek Magyarország számos olyan területtel rendelkezik, ahol kifejezetten érdemes naperőműveket létesíteni, ugyanis az ország adottságai lehetővé teszik, hogy az ilyen beruházások a lehető legrövidebb időn belül megtérüljenek. Miután az árát visszahozta, tiszta hasznot jelent. Hazánkban átlagosan évi 1050-1200 óra üzemidővel lehet számolni, ami egy 0,5 MW-os naperőmű esetén 525-600 megawattóra (MWh) éves előállított villamos energiát jelent erőművenként. Ez körülbelül 250 háztartás éves villamosenergiafelhasználását fedezi A legelterjedtebb Magyarországon a fotovoltaikus elven működő napelemek alkalmazása, amelyek 2015 végén még 110 MW körüli, 2019-ben már 1144 MW őszkapacitással bírtak az országban. A hazai napelemes csúcskapacitás változása Csúcsteljesítmény [MW] 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Év Beépített erőművi HMKE Összteljesítmény 2016 előtt Terv 2022 2022 Napelemes csúcskapacitás TOP10 Új kapacitások telepítése Európai adottságok Európai országok csúcskapacitása Napelemparkok előnyei • Helyben (a fogyasztás helyszínén, ill. annak közelében) termelnek villamos energiát, ezáltal csökkentve az import áramtól való függőséget. • Károsanyag-kibocsátás nélkül üzemelne. • Üzemeltetésük összekapcsolható állattartó vagy növénytermesztő (rét-legelő) gazdálkodással, így növelve a termőföld-használat hatékonyságát. • A napelem panelek sorai között kialakuló zöld felület (gyep) pozitív hatással van a terület biodiverzitására. • A talajtakaróra gyakorolt kedvező hatásuk alapján a napelemparkok a Föld biológiai sokféleségének megőrzését szolgáló win-win beruházások közé tartoznak. Napelemparkok előnyei részelemei életciklusuk végén

közel • A napelemparkok újrahasznosíthatók. • A napelemparkok fajlagos beruházási költsége az egyik legkedvezőbb a megújuló energiaforrást hasznosító rendszerek között. • A napelemparkok tiszta villamosenergia-termeléséhez helyben (a termelés helyszínén) elérhető a megújuló energiaforrás (napenergia), emiatt nem kell számolni nyersanyag-beszerzési és nyersanyag-szállítási költséggel. 100%-ban Napelemparkok hátrányai • A napenergia időbeli eloszlása és intenzitása csak korlátozott mértékben tervezhető előre, ill. energiatárolókat igényel • Az időjárási viszonyok nagyban befolyásolják az energiatermelés mennyiségét. • Az energiatermelés csak napközben valósítható meg, éjszaka a napelempark nem üzemel. • Megoszlása szezonális (legnagyobb mennyiségben nyáron áll rendelkezésre). • A napenergia hasznosítása jelentős beruházásigénnyel jár, ami komoly megtérülési számításokat

követel, úgy pénzügyi, mint környezetterhelési szempontból. Környezetterhelés alatt értjük a) a felhasznált anyagok, szerkezetek gyártását és szállítását, valamint b) a beruházás kivitelezése, működtetése, leszerelése folyamán szükséges összes erőforrást, illetve keletkező környezetszennyezést. Hazai napelemes erőművi kapacitás Magyarországon 2019-ben a napelemes erőművek beépített csúcsteljesítménye elérte a 1144 MW-ot. Ez az érték közel áll a Mátrai Erőmű esetén megfogalmazott csúcs kapacitáshoz (a valóság már ettől messze áll). Amennyiben összehasonlításképp figyelembe veszünk egy azonos csúcsteljesítményű szénerőművet, a napelemes erőműveink éves energiatermelése az említett erőműnek csak a tizede lesz. Ez azért lehetséges, mert egy széntüzelésű erőmű a karbantartási leállásokon kívül folyamatosan a névleges teljesítményén tud termelni, ezért az éves csúcsteljesítmény

kihasználtsági tényezője 90% felett van. Hazai napelemes erőművi kapacitás Ellenben a napelemes erőművek napi 1-2 órán keresztül tudnak a névleges teljesítményükön üzemelni, a köztes időszakban pedig Gausseloszlás jelleggel termelnek. Emiatt az éves csúcsteljesítmény kihasználtsági tényezőjük átlagosan 10% körül alakul. A hazai napelemes erőművi rendszerek területi eloszlása A magyarországi napenergia potenciál A földrajzi adottságok alapján Magyarországon a legnagyobb kiaknázható potenciál a megújuló energiaforrásokon belül a napenergia hasznosításában rejlik. Magyarország kedvező napsugárzási viszonyai lehetővé teszik a napenergia fokozottabb alkalmazását villamosenergia-termelési célra. A Napból Magyarország területére érkező évi energiamennyiség közel 2900szorosa az ország éves villamosenergia-felhasználásának. Magyarországon hozzávetőlegesen 405 ezer hektárnyi kedvezően beépíthető

felület hasznosítható napelemek telepítésére, amelynek túlnyomó hányada (több mint 98%-a) gyep, legelő, szabad vagy felszabaduló földterület. Paksi naperőmű • Telepítés éve: 2019 • Csúcsteljesítménye: 20,6 MW • CO2 kibocsátás csökkentése: 22 ezer tonna • Területe: 45 hektár • 8.120 darab 275W-os 46.240 darab 280W-os összesen 74.360 darab napelemtábla • MVM Csoport Mátrai naperőmű (Bükkábrány) • Telepítés éve: 2019 • Csúcsteljesítménye: 20 MW (22,6MW) • CO2 kibocsátás csökkentése: 25 ezer tonna • Területe: 32 hektár • ~64 ezer db 355 Wp (polikristályos) napelemből áll • Mátrai Erőmű Zrt. Felsőzsolcai naperőmű • Telepítés éve: 2018 • Csúcsteljesítménye: 20 MW • CO2 kibocsátás csökkentése: 20 ezer tonna • Területe: 45 hektár • összesen ~74 000 darab (polikristályos) napelemtábla • MVM Csoport Százhalombattai naperőmű •

Telepítés éve: 2018 • Csúcsteljesítménye: 17,6 MW • CO2 kibocsátás csökkentése: - • Területe: 40 hektár • összesen ~76 000 darab napelem panel • MET Csoport (Mol) • Terv: 50-100 MW-ra való növelése Mátrai naperőmű (Visonta) • Telepítés éve: 2015 • Csúcsteljesítménye: 16 MW • CO2 kibocsátás csökkentése: 24 ezer tonna • Területe: ?? hektár • ~72 ezer db 255 Wp (polikristályos) napelemből áll • Mátrai Erőmű Zrt. Pécsi naperőmű • Telepítés éve: 2016 • Csúcsteljesítménye: 10MW • CO2 kibocsátás csökkentése: évi 15 ezer tonna • Területe: 10 hektár • MVM További jelentős kapacitású naperőművek • Csepregi naperőmű 5,5 MW (2018) • Vépi naperőmű 4,5 MW (2018) • Sajóbábonyi naperőmű 0,5 MW (2016) • Bojti naperőmű 0,499 MW (2015) • Sellyei naperőmű 0,499 MW (2013) • Szombathelyi naperőmű 0,385 MW (2016) Tervezett

naperőművek • Nógrád megyében Szügy településen 16,5 MWp csúcsteljesítményű napelempark épül. • Pellérden (Baranya, Pécs közelében) egy 18,2 MWp csúcsteljesítményű naperőmű épül. • Kaposvár mellett Közép-Európa legnagyobb, 100 MWp csúcsteljesítményű naperőműve épül. Prognózis: • 2022-re tervezett hazai csúcskapacitás 2 000-3 000 MWp. • 2030-re tervezett hazai csúcskapacitás 6 000 MWp. • 2040-re tervezett hazai csúcskapacitás 12 000 MWp. Európa legnagyobb naperőműve • Spanyolország Núñez de Balboa: 500 MWp (2020 április), 215 ezer tonna CO2 Mula PPP: 495 MWp (2019) Épülőfélben: 590 MWp (????) 245 ezer tonna CO2 • Franciaország Cestas Solar Park: 300 MWp (2015) • Németország Solarpark Meuro 166 MWp (2011) Bhadla Solar Park – A legnagyobb a világon • Telepítés éve: 2020 • Csúcsteljesítménye: 2 245 MWp • Területe: 57 km2 = 14 ezer ha (Miskolc területe: 236,67 km²)

• 1,3 milliárd USD = 397,8 milliárd HUF (2020.1001) TOP10 naperőmű a világon Csúcskapacitás MWp Területigény km² Név Ország Bhadla Solar Park Pavagada Solar Park Benban Solar Park India India Egyiptom Kína EAE (UAE) 2,245 2,050 1,650 1,547 1,177 EAE (UAE) 1,013 Kurnool Ultra Mega Solar Park Datong Solar Power Top Runner Base India 1,000 Kína 1,000 2016 NP Kunta India 900 2020 Longyangxia Dam Solar Park Kína 850 Tengger Desert Solar Park Noor Abu Dhabi Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park 57 53 37 43 Átadás éve 2020 2019 2019 2016 2019 2020 24 23 2017 2015 Környezeti hatások Bár a napelemek alatt természetesen lehet gyep, ami jóval kevesebb szén-dioxidot von ki a légkörből, mint amennyit az adott területre esetlegesen telepíthető erdő tudna, ugyanakkor a különféle energiatermelési módok közül a karbonsemleges technológiák – például a napelemparkok – környezetbarát villamosenergia-termelése

képes közvetetten csökkenti a teljes hazai szén-dioxid- és egyéb károsanyag-kibocsátást, ami környezeti hatását tekintve erdők telepítésével egyenértékű. A globális éghajlatvédelem érdekében az Európai Bizottság szektorális megközelítést alkalmaz, melynek lényege, hogy minden energiaigényes ágazat meghatározott mértékben fokozatosan mérsékelje kibocsátását. Ennek eszközeként 7 fő stratégiai építőkövet (1. energiahatékonyság, 2 megújuló energiaforrások, 3 tiszta közlekedés, 4 versenyképes, erőforrás-hatékony és körforgásos gazdaság, 5. intelligens hálózati infrastruktúra, 6 körforgásos biogazdaság és szénelnyelők, 7. szén-dioxid-leválasztás és -tárolás) határoz meg, amelyek komplex alkalmazásával kerülhetünk a legközelebb a nulla nettó üvegházhatásúgáz-kibocsátású gazdasághoz. Környezeti hatások Míg a kisméretű napelemes erőműveket tipikusan épületek tetejére, addig a nagy

PV-erőműveket rendszerint a talajra telepítik, de napjainkban akadnak példák víz felszínén lebegő naperőművekre is. Nemzetközi szinten a növénytakaróval nem fedett területek (pl. sivatagok) energetikai célú hasznosítása jelenthet megoldást, de ez Magyarország esetében nem releváns. Hazánkban a nyíltszíni bányászati területekre vagy meddőhányókra telepítés egy lehetséges – nem kizárólagos – alternatíva a PVberuházásoknak. Ugyanakkor figyelmet érdemelnek a mezőgazdasági területek agro-fotovoltaikus hasznosítása kapcsán elvégzett kísérletek is, melyek a komplex területhasznosítási megoldásokban rejlő pozitív lehetőségeket veszik górcső alá. Területigény A napelemparkok területigényével kapcsolatos hazai kutatások szerint a fajlagos fotovoltaikus kapacitás telepítéséhez szükséges földterület nagysága megawattonként átlagosan 2,4-2,6 hektár. Túlbecsléssel számolva, ha a napelem modulokkal fedett

terület csupán negyedét teszi ki a teljes napelempark területének, akkor a fotovoltaikus kiserőművekre ezidáig kiadott engedélyek alapján a napelemparkok fajlagos kapacitásának területigénye hazánkban megawattonként átlagosan 2,4 hektár. Ezen számítások alapján 3.000 és 7000 megawatt közötti PV-kapacitás kiépítéséhez közel 7000 és 17000 hektárnyi földterületre lenne szükség hazánkban, ami például Magyarország teljes területének csupán a 0,08-0,18%-át jelenti, de az összes termőterület, mezőgazdasági terület vagy szántóföld esetében is csak minimális (0,1-0,39% közötti) hányadot képvisel. Napelemek telepítésére közel 405000 hektárnyi kedvezően beépíthető felület található Magyarországon. Jellemzően a nagyobb napelemparkok fajlagos területfelhasználása a kisméretű napelemes erőművekhez képest kedvezőbben alakul. A termőföld napelemparkokkal való hasznosítása • A termőföld felelős és

fenntartható módú hasznosításának egyik reális, a klímavédelmet is támogató alternatívája a napelemparkok telepítése. • A napelemparkok érdemben növelhetik a földhasználat hatékonyságát, amivel hozzájárulnak az élelmiszerellátás biztonságának javulásához is. • A napelemparkok területén egy védett (aktív emberi beavatkozástól mentes) és egységes gyepterület alakulhat ki, amely alkalmas lehet állatok legeltetésére vagy kaszálóként történő hasznosításra is. • A napelemparkok automatizált, zajmentes és károsanyag kibocsátása nélküli működése minimális karbantartást igényel, így az üzemelési terület kifogástalan védett közeget jelent „méhrezervátumok” kialakítására. A termőföld napelemparkokkal való hasznosítása • A napelemparkok negyedszázados üzemelési ideje alatt a területen egyfajta ugaroltatás valósul meg, ami fontos szerepet tölt be a termőföld rehabilitációjában. •

A napelemparkok elősegítik az üzemelési terület talajtisztulási folyamatát. A talajpihentetés és a kisarjadó, erősödő növényzet által javul a talaj szerkezeti stabilitása, vízáteresztő és vízmegtartó képessége, tápanyagellátottsága és az erózióval szembeni ellenálló képessége is. • A napelem panelek telepítéséhez használt cölöpök vagy földcsavarok érintetlenül hagyják a termőföld humuszrétegét, emellett az üzemelési területen megtelepedő és/vagy ültetett növények folyamatos tápanyagutánpótlást jelentenek a talajnak. • A napelemparkok környezettudatos üzemeltetése következtében garantáltan visszaállítható a művelés alól kivont termőföld eredeti művelési ága. Vízre telepített naperőművek 1. Huainan City 20 MW China 2. Umenoki 75 MW Japan 3. Queen Elisabeth II Reservoir 63 MW United Kingdom 4. Otae Reservoir 3 MW South Korea 5. Jipyeong Reservoir 3 MW South Korea 6. Godley Reservoir floating

Solar PV 3 MW United Kingdom 7. Kato-Shi 28 MW Japan 8. Tsuga IKE 24 MW Japan 9. Hara Ike 24 MW Japan 10. Sakasama Ike 23 MW Japan Napkövető rendszerek - egytengelyű • Az egytengelyes forgatással a fixen elhelyezett napelemhez képest a többlettermelés: 25-30%. • A legintenzívebb fényt kétféle módon követhetjük: asztronómikus és fényszenzoros követéssel. • Az asztronómikus követéssel a Nap pályáját előre kiszámított nyomvonalon követi, óramű pontossággal, fokozatosan követve a Nap pályáját az égen. • A fényszenzoros követéssel a cél a legfényesebb pont megtalálása az égen, és arra merőleges irányba fordítani a napelemes felületet. A fényszenzoros követés az asztronómikushoz képest akár 20%-al jobb hatásfokú. Napkövető rendszerek - kéttengelyű • Az egytengelyes forgatással a fixen elhelyezett napelemhez képest a többlettermelés: 35-45%. • Az egytengelyű forgatáshoz képest 10-15%-al nagyobb.

Nem szilícium alapú napelemek • Gallium-arzenid vegyületen alapú napelemek: Bár eddig főleg műholdakon használták, és egyetlen rétegben alkalmazva nem gazdaságosak, de akár 8 db réteget (p-n átmenetet) is építhetnek egymásra. Így a hatásfok eléri a 46%-ot is koncentrált napfényben • Egyéb vegyület-félvezető alapú napelemek: A hatásfokuk kevesebb mint 15%. Példa: kadmium-tellurid, a réz-indium-diszelenid (CIS) és a réz-indium-gallium-szelenid napelemek. • Szerves festék alapú napelemek és szerves polimerekből készült napelemek. • Szerves-szervetlen perovszkitek alapján készült napelemek kísérleti teljesítménye elért 20%-ot, nagyon gyors fejlődéssel, alacsony gyártási költséget ígérve. • Az Európai Unió által finanszírozott CPVMatch projekt: a fényt optikai lencsékkel kis napelemekre koncentrálják. A kísérleti rendszer két tengelyes napkövető mechanizmussal a Napra irányul. Hatásfoka 41,4%

Szilícium alapú napelemek • Amorf típusú napelemek • Polikristályos típusú napelemek • Monokristályos típusú napelemek Amorf típusú napelemek • Mára már háttérbe kerültek e típusú napelemek, többek közt alacsonyabb hatásfokuknak köszönhetően (5 − 8%). Az amorf szilícium napelemek esetében a szilícium atomok kevésbé rendezetten helyezkednek el és az atomok kevésbé kötődnek szomszédiakhoz, mint a kristályos változatában. • Az amorf szilícium napelemek előnyei közé tartozik: - előállításuk olcsóbb, mint a kristályos szilícium elemeké, - rétegeik vékonyabbak, így merev, vagy rugalmas keretekbe egyaránt helyezhetők, - jobban abszorbeálják a fényt, tehát gyenge megvilágítás, felhős körülmények között kevésbé romlik a teljesítményük, mint a kristályos típusoknak. • Hátrányként felróható még az öregedéssel tapasztalható hatásfok-degradáció. Ennek oka az amorf szilícium

alacsonyabb stabilitásában keresendő. Szilícium alapú – polikristályos • Manapság a lakossági felhasználók körében a polikristályos napelemek használata a legjellemzőbb. Ez köszönhető annak, hogy a megtermelt energiára vetített költségük a legkedvezőbb. • A kristályos Si-alapú napelemek fejlesztésénél igen fontos szerepet játszik az ár. A hordozó egykristály húzása meglehetősen költséges technológia. Ezen tény ösztönözte a polikristályos alapanyagú napelemek kifejlesztését. A polikristályos gyártási metódusának a lényege az, hogy az elektronikai tisztaságú szilícium alapanyagot megömlesztve egy grafittégelybe öntik, és szabályozott hűtés mellett kikristályosítják. A kristályosodás több gócpontból indul, és így a megszilárdult anyag polikristályos lesz. • Hatásfokuk elérheti a 15%-ot is, és ezen érték kisebb mértékben függ a napelem korától. A gyártók általában 25 évre szavatolják

a hatásfokromlás 20%-os határon belüli maradását. A kristályos napelemeket könnyen felismerni a cellás felépítésükről lehet, mely cellák egymással galvanikus kapcsolatban állnak és együttesen termelt energiájuk adja egy napelemmodul villamos energiáját. Szilícium alapú – monokristályos • A legnagyobb hatásfokot a monokristályos napelemek produkálják. Gyártási technológiájuk viszont igen költséges, így népszerűségük a lakossági felhasználásban kevésbé számottevő, mint a polikristályos típusé. • A kristályos Si napelemek és általában a legtöbb félvezető eszköz kristályos félvezető lapkán, vagy más néven, szeleten (wafer) készül. A nyers Si többszöri desztillációja után elektronikai célokra alkalmas polikristályos anyagot kapunk. A kristályos Si-öntecset az olvadék Si-ból oltókristály segítségével húzzák úgynevezett Czochralski- vagy polikristályos Si-rúdból függőzónás eljárással. A

létrejött kristály adalékolása diffúziós eljárással történik. Szerkezeti felépítése hasonló a polikristályos napeleméhez, jól elkülöníthető, egymással összekötött cellákból áll. Hatásfoka elérheti a 18 − 20%-ot is Szerves, organikus napelemek • A szerves, vagy más néven organikus napelemek a legfiatalabb napelemek. Kifejlesztésük az elmúlt évtizedben kezdődött és ez idő alatt jelentősen fejlődött. • Az organikus napelem technológiák valójában két fő irányt jelentenek: - félvezető organikus polimerek, - fényérzékeny festett cellák (dye-sensitised cells, DSC). A félvezető polimerek mesterségesen előállított, melyek a vékonyrétegű napelemekhez hasonlóan félvezető tulajdonsággal rendelkeznek, így napelem előállítására alkalmasak. Ezzel szemben a DSC-technológia sokkal inkább a természetes fotoszintézist utánozza, csak a zöld klorofil helyett jellemzően vöröses festékréteg nyeli el a

fotonokat és generál elektromos feszültséget és itt a víz bontása helyett egy fémrétegben (jellemzően ruténiumban, vagy titán-dioxidban) mozgatja meg az elektronokat, azaz hoz létre elektromos töltést. Szerves, organikus napelemek • Az organikus napelemekben manapság már nagy energetikai és olajvállalatok is látnak fantáziát. A szén-alapú organikus polimer napelemek még nagyon kis hatásfokkal működnek (<4%), azonban laboratóriumi körülmények között 6%-os hatásfokot is el tudtak érni. További hátrányuk, hogy viszonylag drágán tudják előállítani a szilícium alapú napelemekhez képest. • A magas áron túl egyelőre van még egy megoldandó gond az organikus modulokkal, nevezetesen a rövid élettartamuk. Míg a hagyományos, kristályos és vékonyrétegű napelemeket 20-25 év teljesítménygaranciával árulják, addig az organikus napelemek 3-5 évig működnek a jelenlegi tesztek alapján. • Alan Heeger 2000-ben kémiai

Nobel-díjat kapott a félvezető polimerek felfedezéséért. ENERGIAFORRÁSOK ÉS ERŐMŰVEIK GEVEE518-B elmélet Őszi félév, nappali tagozat Oktató: Matusz-Kalász Dávid A NAPELEM MŰKÖDÉSE 6. előadás Miért a szerves? • A piacon megtalálható napelemek jelentős hátránya, hogy nem környezetbarát anyagok felhasználásával készülnek, drágán. • beesési szögre kevésbé érzékeny • déli tájolástól való eltérés esetén is jól működik • széleskörű felhasználási lehetőségek, mert felvihető más anyagokra is • egyenetlen felületen is használható • színezhető, mintázható igény szerint • gyártási mechanizmus kiforrása esetén olcsón megoldható a gyártása • nagy felületeket lefedésére alkalmas • A szerves napelem technológiák két fő irányt jelentenek, - a félvezető organikus polimereket - és a fényérzékeny festett cellákat (DSC). A félvezető polimerek mesterségesen

előállított molekulaláncok, melyek a hagyományos napelemekhez hasonlóan félvezető tulajdonsággal rendelkeznek, így napelem előállítására alkalmasak. Ezzel szemben a DSC-technológia sokkal inkább a természetes fotoszintézist utánozza, csak a zöld klorofil helyett jellemzően vöröses festékréteg nyeli el a fotonokat, és generál elektromos feszültséget. Itt a víz bontása helyett egy fémrétegben mozgatja meg az elektronokat, azaz hoz létre elektromos töltést. Hátrányok A legfrissebb kutatások szerint: • rövidebb élettartammal (maximum: 7-8 év) • alacsonyabb hatásfokkal működnek (kb. 6-7%) • még mindig fejlesztés alatt áll • a nagyüzemi gyártás még várat magára • egyelőre még magasabb gyártási költségek Megoldás Az új eljárás a természetből jól ismert fotoszintézis folyamatát veszi alapul, kisebb hiányosságai azonban jelenleg még kérdésessé teszik a módszer esetleges későbbi

elterjedését: a fényelnyelő műanyagok hatásfoka ugyanis egyelőre hagy még kívánnivalót maga után. Bizakodásra ad okot, hogy amerikai kutatók nemrég arról számoltak be tanulmányukban, hogy jelentősen sikerült a szerves polimerekből készített napelemek hatásfokán javítaniuk. Olyan módon, hogy különböző hullámhossz-tartomány elnyelésében hatékony polimereket kombináltak össze egyetlen cellává. A fejlesztés hatásfoka 8,62%, amely messze túlszárnyalja minden eddigi szerves anyagból készült napelem hatásfokát. Megoldás • Az új napelembe ezek után beleépítettek egy, az infravörös tartományban elnyelő polimert is, és a hatásfok tovább emelkedett 10,6%-ra. A másik komoly probléma, hogy a közvetlen napsugárzásnak kitett műanyag viszonylag gyorsan öregszik, így jelenleg még figyelni kell arra, hogy a műanyaggal bevont tárgyak ne közvetlenül legyenek kitéve a sugárzásnak. Kínai kutatás • Kínai kutatóknak

sikerült 17,3 százalékra növelniük organikus napelemek energiaátalakítási hatékonyságát, ami újabb lépést jelent a zöld napelem széleskörű használatának elterjedéséhez. • Az OPV napelemek azért kevésbé hatékonyak, mert a szerves anyagok lazán kötik az elektronokat befogó molekulákat, és ezért lassítják az áramtermelést. A kínai kutatók ezt próbálták megkerülni azzal, hogy két különböző anyagú réteget alkalmaztak tandemben a napelemen. A tandem cellák különböző rétegei képesek elnyelni a fény különböző hullámait. Ez az jelenti, hogy hatékonyabban használhatjuk a napsugárzást és magas energiaátalakítási arányt érhetünk el. Az alapanyagok további optimalizálásával várhatóan az OPV hasonló energiaátalakítási hatékonyságot ér el, mint a hagyományos napelemek. Alkalmazási területek • A kutatók szerint a napelemek akár egész felhőkarcolókat is elláthatnak majd árammal. Előnyként

említik még, hogy a hagyományos napelemektől eltérően ezt a változatot egyenesen az építési anyagokba tudják nyomtatni, akár üvegbe és cserépbe is. Ez a tényező pedig növeli a formatervezés lehetőségeit is Ugyanakkor az elemek jóval kisebb tárgyakra, például tabletekre, telefonokra is nyomtathatók. • A szerves napelemek nyomtatása nem új ötlet, de a korábban nyomtatott eszközök nem bizonyultak hosszú életűnek. Az újfajta napelem fejlesztői ezen úgy próbálnak változtatni, hogy rövidebb molekulaláncokkal dolgoznak. Az így legyártott panelek élettartama már megközelíti a hagyományos, szilícium alapú napelemekét. A technológia használható feszültségszinteket állít elő akkor is, amikor a modul mérsékelt fényviszonyoknak, részleges árnyékolásnak van kitéve Alkalmazási területek • Ezzel egy kicsi és könnyű napenergiás töltőt kapunk, amely méretét tekintve nem nagyobb egy hitelkártyánál. Beilleszthető

például egy e-book olvasó akkujához, folyamatosan energiával látva el olvasás közben akkor is, ha odabent ülünk a kanapén. • Összefoglalva, az új napelem-generáció, melyben szerves anyagok alakítják elektromos árammá a napfényt, a fogyasztók számára elsősorban könnyű, akár átlátszó, ráadásul jópofa, számos színárnyalatban elkészíthető napelem-fóliaként jelenik meg a piacon. Ha minden jól megy, idővel a szerves napelem olcsó is lesz, tehát relatíve alacsony hatásfoka ellenére olyan, a Nap járásához képest nem feltétlenül optimális szögben álló falakat, oszlopokat, ablakokat is be lehet borítani vele, amelyek eddig szóba sem jöhettek energiatermelő felületként. Szerves napelemes üvegházak • http://www.tmkronikahu/hirek/mit-jelent-a-szerves-napelem Perovszkit Perovszkit napelemek • A hagyományos, jelenleg használt napelemek ugyanis nagyrészt szilíciumból készülnek, ami nem túl hatékony, ha

az energiaátalakítási hatásfokot nézzük, és ehhez képest elég környezetszennyező az előállításuk. Pár éve azonban egy új trend jelent meg a piacon: a perovszkitból készült napelemek, amelyek hatékonyabbak, olcsóbb és környezetkímélőbb a gyártásuk. • A perovszkit egy félig átlátszó és rugalmas anyag, olyan kristály, amely ezerszer vékonyabb, mint a hagyományos szilícium. Perovszkit napelemek • A perovszkitos napelemek hatékonysága sokkal jobb, mint a jelenleg használt hagyományos változatoké. A 20-20 százalékos szilícium-perovszkit aránnyal 27 százalékos energiaátalakítási hatásfokot lehet kihozni, ami már magában elképesztő. Akkor, ha a perovszkitot nem szilíciummal, hanem egy másik vezetővel, a réz-indium-gallium-diszeleniddel (CIGS) kombináljuk (20 százalék perovszkit, 17 százalék CIGS), 23 százalékos hatásfokot kapunk, ami az ilyen tandem szolárpaneleknél világrekordnak számít. Szilícium

A félvezetőkről • Félvezetők alatt olyan kristályos szilárd anyagokat értünk, amelyeknek fajlagos 1 -9 3 elektromos vezetése közönséges hőmérsékleten 10 – 10 , azaz kevesebb, Ω·cm mint a fémeké és több mint a szigetelőké. A félvezetőkben a szabad töltéshordozók sűrűsége bizonyos hőmérsékleti határok között a hőmérséklet emelkedésével növekedik, vagyis a fajlagos ellenállásuk ebben a hőmérsékleti tartományban a hőmérséklet növekedésével csökken. A félvezetőknek tehát negatív hőmérsékleti koefficiensük van. • A vezetési sáv a legnagyobb energiájú sáv az atomokban, amiben még vannak elektronok, a vegyértéksáv pedig a vezetési sáv alatti, megengedett energiasáv. A vegyérték sáv teli, vagy majdnem teli, míg a vezetési sáv üres vagy majdnem üres sáv. Tiltott sáv • Az elektromosság szempontjából vezető anyagoknál a vezetési- és a vegyértéksáv gyakorlatilag átlapolódik, míg a

szigetelők esetében a teljesen feltöltött vegyérték- és az üres vezetési sáv közötti tiltott energiasáv jelentős. A félvezetők esetében a vegyérték és a vezetési sáv közötti tiltott energiasáv kisebb, mint a szigetelőknél, minek eredményeképpen termikus energiával történő gerjesztéssel a vegyértéksávból már elektron, tehát szabad töltéshordozó kerülhet a vezetési sávba. A napelem elektrotechnikai tulajdonságai • A napelem működésének megértéséhez vegyünk egy p-n átmenetes félvezető cellát. Ha a napból érkező fotonok energiája meghaladja a félvezető Eg energiáját (a félvezető adott Eg tilos sávval rendelkezik) akkor töltéshordozó párokat generálnak. A napelem p-n átmenetében képződött feszültség az elektronokat és lyukakat szétválasztja, megakadályozza a rekombinációt. Az elektronok az nréteg felé a lyukak a p-réteg irányába vándorolnak Tehát a megfelelő energiájú fotonok hatására

a napelemben ún. fotoáram jön létre A keletkezett fotoáram azonos irányú az átmenetzáró irányú sötétáramával. • A napelem kivezetésein Uü üresjárási feszültséget és Ir rövidzárási áramot mérhetünk. Ha terhelést kötünk a napelem sarkaira, akkor U feszültséget és I áramot tapasztalhatunk, amelyek rendre kisebbek, mint a terhelés nélküli esetben tapasztalt értékek. A kivezetéseken mérhető I áram az Ifoto fotoáram és az Isötét sötétáram különbségéből adódik. A napelem elektrotechnikai tulajdonságai � = ����� − ��ö�é� �∙� −1 = ����� − �� ∙ exp �∙� A napelem ideális áramköri modellje • A napelem egyszerűsített, elektronikai modellje, minden ohmikus és kapacitív jellegű elemet elhanyagolva egy diódából és egy vele párhuzamosan kapcsolt áramgenerátorból áll, amely által előállított áram erőssége a megvilágítás mértékétől függ.

Üresjárási feszültség �� = ����� • ����� ����� �∙� �ü = ∙ ln + 1 = �� ∙ ln +1 , �� �� � �∙� �� = � A rövidzárási áram egyenesen arányos a megvilágítás erősségével, hisz a fotoáram nagysága a fényintenzitással nő és a fotoáram megegyezik a rövidzárási árammal. A kivezetéseken mérhető üresjárási feszültség pedig logaritmikusan függ a felületre érkező fényintenzitás nagyságától, és egyenesen arányos a termikus feszültséggel. A termikus feszültség UT a hőmérséklet hatására bekövetkező feszültségváltozást reprezentálja. A napelem teljesítménye • • A napelem kapcsaira kapcsolt R ellenállással modellezhető terhelésen átfolyó I áramerősség és a rajta eső U feszültség szorzataként számolható a napelem hasznos P teljesítménye: � � = � ∙ � = �� ∙ � − �� ∙ � ∙ exp −1 �� A napelemről az adott

megvilágítás mellett a maximális teljesítmény levétele terhelésillesztési feladattal oldható meg. A összefüggés szélsőértékének megkereséséhez parciálisan deriváljuk a függvényt U szerint és keressük a ∂P/∂U=0 egyenlet megoldását. Ebből kifejezhető a maximális teljesítményhez tartozó munkaponti- áramerősség és feszültség. A napelem teljesítménye �� �� �� ∙ � ∙ exp ≈ −�� ∙ 1 − �� = − �� � �� �� �� �� �� �� = − = = �� �� �� + �� + �� �� ∙ exp � � • �� �� = �0 − �� ∙ ln 1 + �� Rm az optimális - munkaponti - terhelő ellenállás. A terhelő ellenállás értéke ideális esetben megegyezik a napelem belső ellenállásának az értékével. A térkitöltési tényező • Az úgynevezett � térkitöltési tényező mutatja meg azt, hogy az Um munkaponti feszültség- és Im munkaponti áramerősség szorzata

hogyan viszonyul az Uü üresjárási feszültség- és Ir áramerősség szorzatához. A térkitöltési tényező megmutatja, hogyan aránylik egymáshoz a maximálisan levehető teljesítmény téglalapja (szürke téglalap) és az ��·�Ü szorzat által meghatározott téglalap területe. �� ∙ �� �= �ü ∙ �� A térkitöltési tényező • A térkitöltési tényező, vagy más néven forma tényező (fill factor) értéke függ a napelem megvalósításától és a megválasztott munkaponttól. A φ értéke a gyakorlatban használt napelemek esetén 0,75 és 0,85 értékek között mozog, azonban értéke jelentősen függ a napelem életkorától. A napelem öregedésének következtében a térkitöltési tényező folyamatosan csökken, amely a hatásfokának csökkenését eredményezi. A napelem hatásfoka • • A napelem modul ���� maximális hatásfoka a napelem által leadott Pmax maximális hatásos teljesítmény és a

hasznos felületre eső Pfény fényteljesítmény hányadosából számítható ki: ���� ���� � �� � ∙ �� � � ∙ �� � ∙ �ü � � = = = ��é�� ��é�� ��é�� Mivel állandó intenzitás mellett a napelem által leadott teljesítmény függ a napelem hőmérsékletétől, ezért a napelem hatásfoka is a hőmérséklet függvénye. A maximuma nevezzük globális maximális hatásfokú munkapontnak, értékét globális maximális hatásfoknak. A napelem legnagyobb hatásfokkal akkor működik, ha kis intenzitású megvilágítás éri és a napelem hőmérséklete minél hidegebb. A napelem hatásfoka • A napelem hatásfokának meghatározásánál fontos paraméter a félvezető Eg tiltott sáv energiájának a nagysága. Ha a beeső foton Efoton energiája nem éri el a tiltott sáv energiáját, akkor a potenciális vezetési elektron nem képes a vegyértéksávból a vezetési sávba lépni és így

nem jön létre a foto áram. Tehát a foton energiáját meghaladó tiltott sáv szélesség kialakítása szükséges a töltéshordozó párok generálódásához. A többlet energia (Efoton - Eg) hővé alakul A napelem hatásfoka �� = � ∙ �� ∙ �� ∙ �� �� �� + ∙ exp − �� ∙ �� �� ∙ �� �∙� � - Az elektron töltése (� = 1,602 · 10-19 C �� , �� - Az akceptor és donor atomok koncentrációja, �� , �� - az elektronok és lyukak diffúziós állandója, A napelem hatásfoka Figyelembe véve a napsugárzás spektrális eloszlását egy adott félvezetőhöz meghatározható a maximális hatásfok a félvezető tiltott sáv szélességének függvényében. A NAPELEM HATÁSFOKA 6. gyakorlat A napelem hatásfokát befolyásoló tényezők • Az elméletben elérhető maximális hatásfokot a gyakorlati megvalósítás során sosem érhetjük el. Számos tényező csökkentheti a

hatékonyságot: ➢ ➢ ➢ Konstrukciós veszteségek − Ohmikus veszteségek − Optikai veszteségek Környezeti körülmények − Szennyeződések − Árnyékhatások A megfelelő munkapont megválasztása − Hőmérséklet hatása − Intenzitás hatása Ohmikus veszteségek • A félvezető-fém átmeneten fellépő ellenállás csökkentése megfelelő kilépési munkájú fém megválasztásával lehetséges. A bázisban a felültre merőlegesen folyik az áram, így a nagy felületnek köszönhetően ez az ellenállás elhanyagolhatóan kicsi. Viszont az emitter rétegben az ott lévő áramgyűjtő fémezés miatt az áram jelentős részének iránya párhuzamos a felülettel, az ekkor fellépő kisebb vezetési keresztmetszet hatására nagyobb ellenállás lép fel. • Meg kell említeni az áramgyűjtő fémezés ellenállását. Ezen ellenállás függ a fémezés anyagától, technológiájától és méretétől. Ha növeljük a fémezés

sűrűségét, és az áramgyűjtő sín méretét akkor csökken az ohmikus veszteség, de ekkor nagyobb felületet kitakarása miatt az úgynevezett optikai veszteségek növekednek. Ohmikus/Optikai veszteségek • Optimum keresési feladattal oldható meg az ideális elrendezés megtalálása. A gyakorlatban két megoldás is létezik e probléma áthidalására: ➢A fémezés kiterjedését mélységi irányban növelik. Az ilyen kialakítású napelemeket eltemetett kontaktusú vagy más néven BC-napelemeknek nevezzük. ➢Az egész felületet átlátszó vezetőréteggel vonják be. Ilyenek a vezető oxidok (TCO, transparent conductive oxid). Optikai veszteségek - reflexió • Számolnunk kell a reflexió okozta hatásfokcsökkenéssel is. A napelem felületére nem merőlegesen beeső fénysugarak egy része visszaverődik, hiszen a levegő és a cellákat védő anyag törésmutatója eltér egymástól. Belátható, hogy ez a teljesítmény csökkenését

vonja maga után. A reflexió csökkentésére úgynevezett antireflexiós anyaggal vonják be a felületet, vagy a felületet texturálják. 70,5 °-os nyílásszögű piramisokat maratnak a felületbe. • A nyílásszög e technológia velejárója. A Si kristály maródása az úgynevezett 111 sík irányába lassúbb, mint a 100 nevezetű síkban, e két sík által bezárt szög 70,5 °. Az érdesített felületre beeső fénysugár egy része egy másik piramisra reflektálódik és ott további fénysugárzás juthat be az anyagba. Optikai veszteségek - reflexió Optikai veszteségek - reflexió • A texturált felületet bevonva antireflexiós anyaggal tovább csökkenthető az ilyen jellegű veszteség, körülbelül 3%-ra lehet redukálni a reflexió mértékét. A piramisok el-helyezése lehet véletlenszerű (a, random pyramids), de létezik rendezett struktúra is negatív irányú piramisokkal (b, inverted pyramids). Transzmissziós veszteség • A

transzmissziós veszteség tartozik még az optikai veszteségek csoportjába. Erről akkor beszélünk, ha a fotonok abszorpció nélkül haladnak végig az anyagon, tehát nem képesek energiájuknak az átadására. • Oka a félvezető anyag spektrális érzékenysége és a napsugárzás spektrális eloszlása közti eltérés. Megoldásként a félvezető hátoldalára tükrös felületet visznek fel, ami a még el nem nyelődött fotonokat visszaveri az abszorbeáló anyagba. Környezeti körülmények - Felületi szennyeződések forrásai • A napelem modulok karbantartást szinte nem igényelnek, ugyanakkor a felületi szennyeződés hatását nem hanyagolhatjuk el. Az évi villamosenergia-veszteség jelentős lehet, értéke elérheti 17%-ot is. • A szennyeződések forrásai: ➢ természetben leggyakrabban előforduló szennyezők a következők: − madárürülék, − por, pollen, homok- és talajszemcsék, − a napelem felületére tapadt falevelek.

Felületi szennyeződések forrásai ➢ Az emberi tevékenységek hatására jelentkező felületi szennyeződések: − ipari üzemek működése során a levegőbe jutó szennyezők lerakódása, − lakossági fűtésből származó korom, pernye, − mezőgazdasági vagy egyéb emberi tevékenységből származó por, − közúti közlekedésből származó szennyeződés (például: gumikopadék, korom). A lerakódások formái • A lokális szennyeződések (például: madárürülék) nem elhanyagolható mértékben befolyásolhatják a napelem teljesítményét. A kristályos napelemeknél még kritikusabb e típusú szennyezés megléte, hisz a sorba kötött cellákból álló egység hatékonyságát jelentősen csökkenti egy-egy cella foltszerű szennyeződése. • A teljes napelem felületét betakaró por, vagy egyéb szennyező réteg is káros hatással van a napelem megfelelő működésére. E lerakódások a nem megfelelő tisztítás

következtében egymásra halmozódhatnak, az évek során egyre vastagabb és tartósabb „takaró” réteget képezve a napelem hasznos felülete előtt. • A sarkokban kiemelkedően jelentős lehet a szennyező anyagok felgyülemlése, hisz ezeken a felületeken az eső tisztító hatása nem érvényesül kellőképpen. A vastag lerakódások a cellák túlhevülését is okozhatják, mert hőszigetelőként viselkednek. Ha egy cella károsodik, akkor a vele sorba kötött cellák is kieshetnek az energiatermelésből, így a napelem hatásfoka és élettartama is csökken. A lerakódások formái • A tapasztalatok szerint jelentősége van a szennyező anyag szemcseméretének. • A napelem tisztítását nem minden esetben végzi el az eső. Egy enyhe zápor még további negatív hatásokkal is járhat. A lerakódott porrétegre kerülő kis mennyiségű csapadék iszapos réteget képezhet. A szennyezettség mértéke és az energiatermelés közti

összefüggés • A szennyezettség mértékét az éghajlati viszonyok jellemzői és a szennyező források hatásai együttesen írják le. Ezek a tényezők rendkívül változatosak lehetnek, az éghajlati viszonyok és szennyeződések típusától függően. Az utóbbi évtizedekben a globális felmelegedés következtében az éghajlati övek eltolódtak és egyre gyakoribbak a szélsőséges időjárási körülmények (extrém mennyiségű csapadék, szélviharok, nagy hőmérséklet-ingadozás, stb.) Ennek eredményeként a szennyezőanyagok megjelentek olyan éghajlati zónákban is, ahol azok a korábbiakban kevésbé voltak jellemzők (pl.: sivatagi homok Európában) Az éghajlati viszonyok jellemzői szerinti kategóriák (K) • K1. Mérsékelt égövi, csapadékos éghajlat: Az éves csapadék mennyisége 800 mm, vagy e feletti. A csapadék eloszlása az év során viszonylagosan egyenletes Pl. Németország területének jelentős része • K2. Száraz

nyárú, kontinentális éghajlat: Az éves csapadék mennyisége 450 – 550 mm. A nyári félév száraz Pl Magyarország és Románia déli része • K3. Extrém száraz, fél-sivatagi, sivatagi éghajlat: Az éves csapadék mennyisége 300 mm alatt. Pl Irak, Arizona, Afrika szaharai területei • K4. Tengerparti éghajlat: Az éves csapadék mennyisége 800 – 900 mm, vagy e feletti. Erős sós párásság, korrozív hatással Pl Málta A szennyeződés intenzitás szerinti kategóriák (S) • S1. Mérsékelt szennyező hatásnak kitett napelemes rendszer: a szennyező források száma és azok szennyező hatása kicsi, a nyári időszakban is előforduló, jelentős mennyiségű esők a szennyeződések döntő részét lemossák. • S2. Közepes szennyeződés intenzitású területek: a napelemes létesítmény a szennyező forrásoktól (ipari, mezőgazda-sági tevékenységektől, forgalmas közutaktól) távol helyezkedik el. • S3. Intenzív

szennyeződésnek kitett területek: a napelemes rendszer közelében több, és jelentős szennyeződést okozó szennyező forrás található. (Jelentős ipari és mezőgazdasági tevékenység, közúti forgalom, madárvonulási zóna). Az eső tisztító hatása csak kis mértékben érvényesül. • S4. Extrém nagy szennyeződésnek kitett területek: több forrásból származó erőteljes szennyező hatások. Ilyenek lehetnek például a félsivatagos, sivatagos területek, a gyakori homok-viharok-kal. (A napelem felületekre lerakódott nagy mennyiségű homok, jelentős teljesítmény veszteséggel jár.) A hatáskategóriák közti kapcsolat A megfelelő munkapont megválasztása • Általában úgynevezett MPPT (Maximum Power Point Tracking) szabályozással oldják meg a problémát. Szigetüzemű rendszerek esetén az MPPT egység a napelem és az akkumulátor feszültségét összehasonlítva, vagy feszültség csökkentő, vagy feszültség növelő

kapcsolóüzemű konverterként viselkedik. A kapcsolóüzemű konverterek egyik jellemzője a kitöltési tényező, amely a bemenő- és a kimenő feszültség közti kapcsolatot írja le. A vezérlő egységünk bemenetére tehát egy áramgenerátoros energiaforrás van kapcsolva (napelem), kimenetén pedig egy feszültséggenerátor található. A konverter kitöltési tényezőjének a változtatásával a napelem munkaponti feszültsége a megfelelő pontba állítható. Ekkor az MPPT kimenő árama a napelem adott munkapontjához tartozó teljesítményének és az akkumulátor feszültségének megfelelően alakul. A hőmérséklet hatása a hatékonyságra • A napelemek működésük során magas hőmérsékletre felmelegedhetnek, ennek kialakulásáért javarészt az őket érő napsugárzás tehető felelőssé. A növekvő megvilágítás velejárója a napsugárzás hasznosítható hullámhossztartományának intenzitás növekedése, de ezzel együtt azon

frekvenciájú összetevők is erősödnek, amelyek a cellák fel-melegedéséért felelősek. Tehát nő a cellák rövidzárási árama (az üresjárási feszültség változásától eltekinthetünk). A kérdés az, hogy mi történik a hőmérsékletnövekedés hatására? • Megállapítható, hogy az üresjárási feszültség egyrészt lineárisan nő a hőmérséklettel, másrészt exponenciálisan csökken Is-en keresztül. Így a hőmérséklet hatására az Uü feszültség csökken. A hőmérséklet hatása a hatékonyságra Az intenzitás hatása a hatékonyságra • A napelem üzemi hőmérséklete: ��� �� − �� ∙ ���� + �� = ���� ��� ahol: ��� – a napelem felületi hőmérséklete (K), �� – a napelem névleges hőmérséklete (K), �� – a környezeti hőmérséklet (K), ���� – a megvilágítás intenzitása (W/m2), ���� ��� – a sztenderd megvilágítás intenzitása

(���� ��� = 1.000 W/m2) Az intenzitás hatása a hatékonyságra • A fotoáram: ����� = �� ∙ 1 + ��� ∙ ��� − �� = ���� ���� ��� ∙ �� ∙ 1 + ��� ∙ ��� − �� ahol: ��� – a rövidzárási áram hőmérsékleti együtthatója (A/K) • A telítési áram: �� = � �� �∙�� ∙ 1+��ü ∙ ��� −�� �∙�∙�∙� −1 ahol: ��ü – az üresjárati feszültség hőmérsékleti együtthatója (V/K) Hőmérsékleti állandók • A napelemek feszültségének és áramának (teljesítményének) hőmérsékletfüggését a hőmérsékleti állandók, együtthatók segítségével lehet megadni. Mértékegysége %-ban, vagy az adott fizikai mennyiség mértékegységével megegyezően adható meg (volt, amper, watt). Az állandó megmutatja, hogy egy Kelvin (Celsius fok) hőmérséklet-változás hatására az adott fizikai

mennyiség milyen irányban és mekkora mértékben változik. A mutató a rövidzárási áram, az üresjárati feszültség, illetve az elméleti teljesítmény bázisára vetített %-os mennyiségre vonatkozik. • A táblázatban a három tényezőt figyelembe véve láthatók, hogy a feszültség hőmérsékleti állandója negatív, az áramerősség állandója kis mértékben pozitív, így a kettő szorzataként értelmezett teljesítmény hőmérsékleti állandója negatív. Mindezek alapján elmondható, hogy a napelemek teljesítménye a hőmérsékletnövekedés következtében csökken, ami az eredő hatásfok romlását eredményezi. Hőmérsékleti állandók • állandók A hőmérsékleti különböző hőmérsékleten történő mérésekkel határozhatóak meg. A mérésekkel egy lineáris összefüggés írható fel, így egyenes egyenletének felhasználásával az állandók származtathatóak. ��+1 −�� 100 � �� = ∙ = 100 ∙ ��

����+1 − ���� �� % ; � � � W , , ; m – adott egyenes meredeksége � � � �� – hőmérsékleti állandó százalékos értéke xn – a feszültség, az áramerősség, vagy a teljesítmény értéke egy tetszőleges pontban [V], [A], [W]; Tntp – a hőmérséklet értéke a kiválasztott tetszőleges pontban [K]