g05 - fotovillamos modulok es generatorok

7/31/2019 G05 - Fotovillamos Modulok Es Generatorok

1/15

SOLTRAIN G05 elads

Fotovillamos modulok s genertorok

* A fordts a Soltrain projekt (4.1030/Z/02-067/2002 sz. EU Altener program)keretben, a SzIE Fizika s Folyamatirnytsi Tanszk gondozsban kszlt.

G05 el

adsFotovillamos modulok s genertorok

Heribert SchmidtFraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg

Tel: +49-(0)761-4588-5226, Fax: +49-(0)761-4588-9217,E-mail: [email protected], Internet: www.ise.fraunhofer.de

1 Bevezets

A hasznlt technolgitl fggen egyetlen napelem 0,5 s 2V kztti feszltsgetszolgltat a maximlis teljestmny munkapontban (MPP). Azonban az villamosberendezsek nagyon ritkn mkdtethetk kzvetlenl ilyen alacsony feszltsgen,kivve nhny kis berendezst s jtkot. ltalban nagyobb feszltsgre van szksg.Ez a nagyobb feszltsg tbb napelem sorba kapcsolsval rhet el, azakkumultorokhoz s elemekhez hasonlan. Pldul 36 kristlyos szilcium napelemvan sorba kapcsolva a szabvny modulokban, amelyek krlbell 18V MPPfeszltsget szolgltatnak, s ez ppen megfelel a 12V-os savas lomakkumultoroktltshez. Ugyanakkor vannak 72 (vagy mg tbb) napelembl ll szabvny modulok,st specilis modulokban nhny szz napelem soros kapcsolst tartalmazzk.

Radsul ezek a modulok sorba kapcsolhatk (fzr-string), s gy nhny szz Voltfeszltsget elllt PV genertorok hozhatk ltre.

Hogy biztostsuk a kvnt kimen teljestmnyt, a modulok illetve fzrek prhuzamosankapcsolhatk az ramerssg nvelshez. Ez a modulris kapcsolhatsg lehetvteszi a PV genertorok tervezst ugyanarra a technolgira alapozva milliwatt-megawatt tartomnyban.

A kvetkezkben a sorosan s prhuzamosan kapcsolt napelemek s moduloktulajdonsgaival foglalkozunk, klns tekintettel a rszleges rnykols hatsra.

2 Soros kapcsols

2.1 ram-feszltsg (I-V) karakterisztika

A napelemek s modulok a nagyobb ered feszltsg elrse miatt vannak sorbaktve.

Soros kapcsols esetn az sszes napelemen ugyanaz az ram folyik, gy az eredfeszltsg mint az 1. brn 3 hasonl napelem esetn lthat- az egyes feszltsgeksszege.


2/15

SOLTRAIN G05 elads


2

1. bra: Hrom hasonl napelem soros kapcsolsa, s az ram-feszltsg (I-V) diagramm (Image:Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Azonban a napelemek, s modulok soros kapcsolsnak van egy nagy htrnya: aleggyengbb lncszem hatrozza meg az egsz mez mkdst. Mg ha csakegyetlen napelem van is rszben rnykolva, ez a napelem hatrozza meg az eredramot s gy egsz fzr kimen teljestmnyt.

Emiatt a rszleges rnykolst a lehetsgekhez kpestmindenkppen kerlni kell! Mg kis rnykolt terletek, pl.: rudak,kbelek, levelek, madrpiszok, vagy egyb szennyezds is nagykimen vesztesget okoz, s rendszerint ez az ok a fotovillamosrendszerek nem kielgt energiatermelsnek.Ugyanez igaz klnbz karakterisztikj napelemek soros kapcsolsa esetn is, vagyha egy modulon bell trtt, s emiatt inaktv napelemek vannak. Ebben az esetben is aleggyengbb napelem hatrozza meg az ered teljestmnyt. A napelemeket smodulokat gy kell sszevlogatni s sorba kapcsolni, hogy kzeltleg azonos MPPramot termeljenek. Ez a plusz munka az energiahozam nvekedsben hozza meg a

hasznt.

2.2 Forr pont (hot spot)

A sorba kapcsolt, rszben rnykolt napelemek esetn elfordul msik fontosproblma a forr pont. Ebben az esetben a napelem belsejben a pn tmenetloklisan tlterheltt vlik (a rajta tfoly ram miatt ott h fejldik), ami esetleg mg anapelemet is krosthatja. Ezek a permanens krosodsok kis fehr pontok, pttykformjban jelennek meg a napelem felsznn, mint ahogy az a 2. brn bemutatottesetben is lthat.

0 0.4 0.8 1.2 1.6Napelem feszltsg [V]

2.0

3

2

1Napelemram[

A]

V

A ISC

UOC 2 UOC 3 UOC


3/15

SOLTRAIN G05 elads


3

2. bra: Forrpont (hot spot) ltal krostott napelem (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A legrosszabb eset a hot spot keletkezse szempontjbl, amikor rvidre zrjuk amodult, ez egy elfogadott mkdtetsi llapot, ami fknt a tltsszablyozval valmkdtetskor alakul ki. Azonban egy hot spot norml, inverterrel val mkdtetssorn is keletkezhet.

Ha egy -tbbiekkel sorba kttt- napelem rnykba kerl, a tbbi napelem tovbb hajtjaaz ramot a mezn t, ugyanabban az irnyban. Az rnykolt napelem feszltsgeeljelet vlt, ahogy a 3. brn is lthat, azaz az rnykolt napelem terhelsknt jelenikmeg! A teljestmny didkkal ellenttben a napelem pn tmenete nhny (5-25 V)voltos zr irny feszltsg hatsra is tnkre mehet. Ez azt jelenti, hogy a napelemettnkretev feszltsg nhny tucat napelem soros kapcsolsa esetn elllhat. A hibaltalban nem nagy terletet rint, hanem az ram kis terletre koncentrldik, ahol anagy teljestmnysrsg nagy hmrskletet idz el, ezrt is hvjk ezt forrpontnak (hot spot).

h

R

Z2Z1 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36

I -+- +

h

R

Z2Z1 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36

I -+

h

R

Z2Z1 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36

I

h

R

Z2Z1 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36

I -+- +

3. bra: Napelem feszltsg polarits vltsa a napelem rnykolsa esetn (thidal dida nlkl)(Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Forrpont

Hot Spot


4/15

SOLTRAIN G05 elads


4

Mivel a gyakorlatban a rszleges rnykols nem kerlhet el, a napelemek vdelmerdekben thidal (bypass) didkat ktnek prhuzamosan a napelemekkel, vagy anapelemek egy csoportjval. Norml esetben ezek zrirnyban vannak bektve, s

emiatt nem okoznak vesztesget. Azonban ha a napelem polaritsa megfordul arszleges rnykols miatt, az thidal dida nyitirnyv vlik, s az rnykoltnapelem helyett elvezeti az ramot a genertor mkd rsze fel, innt kapja a nevt.

Az rnykolt napelem zr-irny feszltsgt gy az thidal dida nyitirny, kb.0,6V feszltsgre korltozza, ami a napelemre nzve mr nem kros.

Idelis esetben minden egyes napelemnek lenne egy didja, de ez a klnlegeselvigyzatossg csak az rtechnika szmra kszlt moduloknl jellemz. A norml

alkalmazsban elegend

15-20 sorba kapcsolt cellval prhuzamosan kapcsolni egythidal didt, ahogy a 4. brn is lthat. A modulgyrtk ezeket az thidal didkatltalban a modul csatlak dobozba integrljk. A mretezsnl tekintettel kell lennikarra, hogy az thidal dida elg ht tud dissziplni, klnben rszleges rnykolskora didban tfoly ram htermelse tlmelegten a didt.

I

I

I

I

Z2Z1 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36

R -+

4. bra: rnykolt modul ramvezetse thidal didkkal (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Termszetesen a rszleges rnykols (vagy a napelem vgleges krosodsa) a teljesgenertor karakterisztikjban is tkrzdik. Az 5. brn egy 36 cells modulkarakterisztikja lthat, 18 cellnknt thidal didval. A fels, kk grbe azrnykols nlkli llapotot mutatja. thidal dida nlkl, egyetlen napelem 75%-osrnykols esetn az als, piros grbe mrhet. thidal dida alkalmazsval akarakterisztikt a kzps, zld grbe adja. Alacsony feszltsgen a modulramot amodulnak a megvilgtott rsze hatrozza meg. Ez az ram az thidal didn


5/15

SOLTRAIN G05 elads


5

keresztl elkerli az rnykban lev rszt. Magasabb feszltsg esetn az rnykoltrsz hatrozza meg a grbt.

5. bra: ram-feszltsg karakterisztika rnykols esetn thidal didkkal s anlkl (Image:Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Az 5. bra szerint a rvidzrsi ram s az resjrsi feszltsg rszleges rnykolsesetn is majdnem elri az rnykmentes genertort, ha thidal didt hasznlnakEz akkor is igaz, ha egy napelem rszben krosodott. Vagyis ezen mennyisgnekmrse csak egy nagyon durva becslst ad a fotovillamos genertor megfelelmkdsre. Csak az I-V grbe teljes karakterisztikjnak mrse nyjt komplettinformcit. Ezen a grbn kln figyelmet kell szentelni brmely hirtelen sllyedsnek.

A genertor karakterisztikja az zembe helyezs helyn mrhet egy hordozhat I-Vkarakterisztika mrvel, ami a 6. brn lthat.

A mrs szolgltatsknt is megrendelhet mrnki s vizsgl gynksgeknl, illetveegyes intzmnyeknl.

5 10 15Modulfeszltsg [V]

20

2

0.5

0

Modulram[

A]

3.5

2.5

3

1

1.5Egy napelem 75%-osrnykolssal thidaldida nlkl

, Egy napelem 75%-osrnykolssal thidal

didval

,

rnykols nlkl


6/15

SOLTRAIN G05 elads


6

6. bra: Hordozhat PV karakterisztika grbe meghatroz kszlk (PV Engineering, Germany) (Image:Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

3 Prhuzamos kapcsols

Ha a rendszernek nagy ramot kell termelnie, a modulok vagy a fzrek prhuzamosankapcsolhatk, ahogy az a 7. brn is lthat. Prhuzamos kapcsolsnl az sszesnapelem azonos feszltsg s az ered ram az egyes ramerssgek sszege.

7. bra: Hrom hasonl napelem prhuzamos kapcsolsa s az ram-feszltsg diagrammjuk (Image:Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

Ahogyan a soros kapcsolsnl is vizsgltuk, itt is az a krds, hogy egy napelem vagymodul rnykolsa milyen hatst gyakorol a rendszer mkdsre. ltalban

A

V

0 0.1 0.2 0.3 0.4Napelemfeszltsg [V]

0.5 0.6

6

32N

apelemram[

A]

9

7

8

1

4

5

3 ISC

2 ISC

ISC

VOC


7/15

SOLTRAIN G05 elads


7

elmondhat, hogy az rnykols hatsa az energiahozamra valamivel kisebbprhuzamos kapcsolsnl, mintha ugyanezek a napelemek sorba lennnek kapcsolva.Klnsen fontos, hogy prhuzamos kapcsolsnl nincs klnsebb veszly azrnykolt napelem zrirny tlterhelsre, amit a tbbi napelem hoz ltre. Ily mdon

az IEC 60364 sz. szabvny szerint nincs szksg fzr didkra a prhuzamosankapcsolt fzreknl, ha a hasznlt modulok II. sz. vdelmi osztlyba sorolhatk s azresjrsi feszltsgk kevesebb, mint 5%-al tr el egymstl, amely feltteleket anapenergis rendszerek ltalban teljestik. Alacsony feszltsg rendszereknl (pl.:hzi napelemes rendszer) a fzr didk ltalban elhagyhatk.

A 8. brn nhny modul soros s prhuzamos kapcsolsval felptett PV genertorbektsi diagramja, s az eredmnyl kapott ram- feszltsg karakterisztika grbilthatk.

8. bra: Sorosan s prhuzamosan kttt modulok, s az ram-feszltsgkarakterisztikjuk (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

4 A fotovillamos modulok felptse

A napelem belsejben fotovillamos folyamat nem okozza a napelem elhasznldst,ami azt jelenti, hogy a napelem mkdsi lettartama elvileg vgtelen. A gyakorlatban anapelemek ltalban rzkenyek a nedvessgre. Emellett a kristlyos napelemek

Genertor feszltsg [V]

genertorram[

A]

Prhuzamosankapcsoltfzrekszma

Sorosan kapcsolt modulok szma

3 ISC

2 ISC

ISC

UOC 2 UOC 3 UOC

1

2

3

1 2 3


8/15

SOLTRAIN G05 elads


8

nagyon trkenyek is. Emiatt a kltri hasznlatra tervezett napelemeket megfelelanyagba kell gyazni, amely megvdi az idjrs hatsaitl s a mechanikaiterhelsektl. Emellett az villamos szigetels is elengedhetetlen. Az alkalmazottnapelem technolgitl fggen klnbz felptseket s gyrtsi folyamatokat

alkalmaznak.

4.1 Kristlyos napelemek

Manapsg az sszes kristlyos napelem szelet technolgival kszl. Mg az elsszabvny modulok 10 cm x 10cm mret, kzeltleg 0,3- 0,4 mm vastag napelemekblkszltek, manapsg nagyobb (15 cm x 15 cm), de vkonyabb ( 0,25mm, ami ajvben 0,05 mm-re cskken) napelemek hasznlatosak. Az egyes napelemeket egyautomata (stringer) sorba kti, ahogy az a 9. brn lthat. Ez gy trtnik, hogy anapelem aljn vgigfut (egy vagy kt) fmszalagot (rendszerint a pozitv plus) akvetkez napelem fels rteghez (negatv plus) kti. A ktst forrasztssal vagy

ultrahanggal hozzk ltre.

9. bra: Kristlyos napelemek soros kapcsolsa fmszalaggal (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A fzr (string) ily mdon kikpzett kezd s vgcsatlakozsai aztn szlesebbfmszalagokkal (buszokkal) csatlakoznak egymshoz. A folyamat minden lpsbenminsg ellenrzst vgeznek, pldul egy I-V grbe ellenrzst elvgzik mindenelemre mestersges fny mellett.

Az gy ellltott napelem mezt ezutn hermetikusan elszigetelik ksbb ismertetett

mdon.

4.2 Vkonyrteg napelemek.

A vkonyrteg napelemek elnye, hogy az egyes napelemek a napelem gyrts sornsorba kapcsolhatk. Ennl a technolginl klnbz vkonyfilm rtegeket visznekegy hordoz anyagra tbb lpsben, majd a filmet vkonyabb szalagokra (nhny mm-tl pr cm vastag) vgjk lzerrel vagy mechanikusan. Eredmnyl integrlt soroskapcsols felptst kapunk, mint az amorf szilcium vkonyrteg napelem, ami a 10.brn lthat.


9/15


10/15

SOLTRAIN G05 elads


10

11. bra: veg/veg modul (EVA) (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

12. bra: veg/manyag modul (EVA) (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

13. bra: Fm/manyag modul (EVA) (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

14. bra: Manyag modul (EVA) (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

4.3.2 Teflonba gyazsEnnl a technolginl a napelem fluorkarbon polimerrel van krlvve (Teflon), atechnolgia az elz rszben ismertetetthez hasonl. Ebben az esetben ez a nagyon

ellenll, nagyon tltsz anyag alkotja az els fedrteget. A vastagsga kb. 0,5 mm,ami az veghez kpest nagyon vkony s knny. A teflonba gyazst jelenleg kisebb,specilis moduloknl (pl. fotovillamos tetcserp) alkalmazzk.

veg ellap

Kristlyos napelem EVA-banHts veglap

veg ellapKristlyos napelem fzr EVA-bantltszatlan manyag flia

tltsz manyag fliaKristlyos napelemek EVA-banfmlemez

tltsz fliaKristlyos napelemek EVA-ban

Napelem tart szerkezettltszatlan flia


11/15

SOLTRAIN G05 elads


11

15. bra: Teflon modul (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

4.3.3 ntgyantba gyazsEzen technolgia esetn a napelemek kt vegrteg kztt ntapads tmasztkkalvan rgztve. Az veglapok tvtartval vannak kitmasztva, amelyek mindkt oldalaragad.

Az veglapok kztt gy ltrehozott teret nagy tltszsg buborkmentes, folykonyntgyantval tltik ki, amelyet termikus ton vagy UV fnnyel szilrdtanak meg.Ezzel a technolgival legfeljebb 2,5 m x 4 m mret modulok gyrthatk. Ezenmodulok nagyon j hangelnyel tulajdonsggal rendelkeznek.

16. bra: ntgyanta begyazs modul (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

A vkonyrteg modulok esetn hasonl el s htlapokat alkalmaznak az idjrsi smechanikai terhelsek elleni vdelemre.

4.4 Villamos csatlakozsok s keretek

A laminls utn a modulokra villamos csatlakozkat szerelnek. Rendszerint acsatlakozsok a modul htoldalra szerelt csatlakozdobozban vannak, amely vzllkbelbevezetsekkel rendelkezik. Rendszerint ugyanez a csatlakozdoboz tartalmazzaaz elbbiekben bemutatott thidal didkat. Az villamos csatlakozs vezetkeicsavarokkal rgzthetk, br egyre inkbb terjed a szortkapocs (WAPO) amelyekhossz idn t egyenletes nyomert kpesek kifejteni a vezetkre.

Kristlyos napelemek teflonbanHordozanyag, pl. veg

veg ellapKristlyos napelemek ntgyantbanHts veglap


12/15


13/15

SOLTRAIN G05 elads


13

18. bra: Szabvny modul keretezse (Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

5 Modulok minsgellenrzseA megvalsthatsgi tanulmnyokban a fotovillamos egysgek lettartamt 20 vre,vagy ennl tbbre becslik. A f komponensnek, a fotovillamos genertornak legalbbilyen hossz idn t kell mkdnie s ellenllnia az extrm idjrsi krlmnyeknek is,mint pl. extrm hmrsklet, viharok s jges. Hasonlkppen az villamos rszszigetelst is biztostani kell az egysg teljes lettartamra, s a genertornak

kpesnek kell lennie a nvleges teljestmny leadsra a nvleges lettartam vgig.Hogy ezen feltteleket teljesteni tudjk, a napelem modulok tervezse s gyrtsanagy figyelmet kvn s mindegyik modultpust intenzv tpusvizsglatnak kell alvetni ahasznlat eltt. Erre a clra szabvnyos vizsglati eljrsokat fejlesztettek ki; az EUIsprban lv (Olaszorszg) kutatkzpontja volt a vizsglatok kifejlesztsnek ffelelse, ezeket a vizsglatokat emiatt ISPRA teszteknek nevezik. Idkzben ezek EUszabvnny vltak (IEC 61215/IEC 61646).

Az ISPRA teszt f rszei:

-a laminls, keretezs s tktsek vizulis ellenrzse

-nvleges teljestmny meghatrozsa-hmrskleti egytthatk (V, I, P) meghatrozsa

-hossz tv forr pont vizsglat

-csavarsi vizsglat

-jges vizsglat 25 mm-es jggmbkkel 23m/s sebessggel

-hmrskleti ciklus vizsglat

-nedves-h vizsglat

-nedvessg fagysi vizsglat

Az ISPRA teszten fell a modulok II. vdelmi osztly minstssel is hitelesthetk, ami

azt igazolja, hogy a modul belsejben dupla, vagy megerstett szigetels van az ramtja mentn, ami megvja a bels nem kvnt rintkezsektl, az IEC 6125/IEC 61646szabvnyon fell. Az ilyen tpus modulok esetn egyszerbb rendszertechnolgia

alumnium keret

vzzr szlrgztveg (vas mentes)

EVA napelemek

hts kompozit flia


14/15

SOLTRAIN G05 elads


14

engedlyezett, pldul fzrek prhuzamos kapcsolsnl string didkat nem kell arendszerbe illeszteni, mivel a dupla szigetels kizrja rvidzr vagy fldhurok ltrejttt.Az itt bemutatott vizsglatokon fell nhny intzet kiegszt bizonytvnyokat bocstki, pl. a hatsfokrl.

6. Fotovillamos modulok jrahasznostsaA gyrtk ltalban hossz tv garancit adnak a moduljaik mkdsre, rendszerinta modul nvleges teljestmnynek 80%-t garantljk 20-25 vre. Termszetesen amodul mkdse nem sznik meg ezen id elteltvel, vlhetleg sokkal hosszabb ideigmkdik mg. Enne ellenre a napelem modulok jrahasznostsra irnyul tervek stechnolgik kifejlesztsvel mr most foglalkozni kell.

A kristlyos napelemek- vagy legalbb a szeletek a modulok lettartamnak lejrtval ishasznlhatk maradnak, mivel ltalban csak a modul el- s htlapja, a begyazsrahasznlt szigetelanyag s a villamos kontaktusok, vezetkek hasznldnak el azidjrsi krlmnyek miatt. A napelemek jrafelhasznlshoz azonban elbbazonban a laminlst h s kmiai kezelssel el kell tvoltani, hogy csak a csupasznapelem maradjon. Ezutn a napelemek - megfelel tisztts s mrst kveten - akrrgtn jra hasznosthatk, vagy a felleti rtegek mechanikus ton illetve maratstjn trtn eltvoltsa utn a napelem gyrts kezdeti szakaszban hasznlatosszeletet kapjuk, ami jra felhasznlsra kerlhet. Az vegtblk megolvaszthatk svisszatpllhatk a gyrtsi folyamatba. A begyaz anyagot s az rintkezk manyagrszeit elgetik.

A vkonyrteg modulokban valamivel kevesebb aktv anyag van, mint a kristlyosmodulokban, a f sszetevk az veg s a manyag. Az amorf szilcium emiatt

kzvetlenl elgethet, az veg visszanyerhet, a modul ktanyaga elzetesenfeloldhat.

Ms vkonyrteg technolgik esetn (pl. CdTe vagy CIS modulok) a bennk lev,kmiailag kttt nehzfmek miatt valsznleg zrt, ellenrztt letciklust ignyelnek.

7 sszefoglalsA nagymennyisg gyakorlati tapasztalat azt mutatja, hogy a fotovillamos rendszerek

legmegbzhatbb eleme a napelem modul. Az lettartam becslsek 20 vnllnyegesen hosszabb idt tartanak relisnak, a jvbeli elvrsok erre 40 vet, illetveennl tbbet feltteleznek.

A kltri alkalmazsoknl a kristlyos szilcium napelemmel kszlt modulokdominnsak a piacon, s nagyszm gyrt ajnl szabvny s ignyre szabottmodulokat. A vkonyrteg modulok amelyek rendszerint amorf szilciumtechnolgival kszlnek - elssorban a kzszksgleti cikkekben valalkalmazsoknl s kisebb teljestmnyek esetn hasznlatosabbak. Vannak jabb,nagyobb teljestmny modulok (pl. homlokzatokhoz), de itt mg a piaci ttrs vratmagra.

A napelem modulok jrahasznostsa mg nem get krds, de ilyen mdszerek mrfejleszts alatt llnak.


15/15

SOLTRAIN G05 elads


15

8 Irodalom

/1/ A. Luque, S. Hegedus: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering,

Chapter 7, 8, 16, 22 , John Wiley & Sons, Chichester 2003, ISBN 0-471-49196-9/2/ A. Bubenzer, J. Luther: Photovoltaics Guidebook for Decision Makers, Pages41 ... 64, Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-41327-8

g05 - fotovillamos modulok es generatorok

Documents