Tudástár

Veszteségek minimalizálása

A teljesítményoptimalizálás soha nem a napelem teljesítményét növeli, hanem a veszteségek kiküszöbölésével akadályozza meg a teljesítményük csökkenését.

A szennyeződésekkel, árnyékok általi hozamveszteségekkel mindig kalkulálnak a modellezésekben, mivel ezek előfordulása sokszor kikerülhetetlen a való életben. A napelem felületén egyenetlenül eloszló szennyeződés, vagy részleges árnyék befolyásolja a napelemek működését. A panelszintű optimalizálók nem tudnak semmit kezdeni ezekkel a napelem csak egy részére eső hátrányos hatásokkal, mivel egyben kezelik az egész napelemet. Arra képesek, hogy a gyengébben működő napelem ne befolyásolja a többi, problémamentes napelem működését, de az érintett napelemen nem tudnak sokat segíteni.

Egy cellasor optimalizálóval felszerelt napelem viszont képes kezelni a nem teljes napelemet érintő káros hatásokat is, mivel a napelemet három teljesen különálló részként kezeli, így ezt a fajta káros hatást is csökkenteni tudja. Ezzel egyrészt a napelemet óvja saját magától is, mivel megszünteti a kitakarás hatására felforrósodó cellák jelenségét, ami rendkívül jó hatással van az adott napelemek élettartamára, másrészt a lehető legtöbb energiát kinyeri a hátrányosan érintett napelemből is.

Egy hagyományos vagy egy moduloptimalizált napelemnél a kitakart, vagy árnyék által befolyásolt cella, annak cellasora energiát fogyaszt, mivel a bypass diódán is hővé alakul 5-7W és a cellasorban is folyik egy ellenirányú áram, ami szintén több watt teljesítménnyel melegíti a cellákat. A cellasor-optimalizált napelemeknél az előbbiekben említett folyamatokkal szemben a hátrányosan érintett cellasor is energiát termel. Nem annyit, mint a zavartalanul működő cellasorok, hanem annyit, amennyit a leárnyékolás, vagy szennyeződés enged, de mégis pozitív a teljesítmény és nem negatív, mint az összes többi megoldásnál.

Kiváló példa lehet erre a problémakörre a napelemek alsó részén összegyűlő hó vagy szennyeződés:

Kosz a napelem panel alján

Szennyeződés a napelem panel alján

A fenti konkrét esetben nincs a panelek között különbség, mivel minden napelem alsó része egyformán szennyezett, szóval egy hagyományos és egy panelszintű optimalizálóval felszerelt napelemes rendszer azonos módon viselkedik. Ha az alsó cellasor legalább 15%-a érintett, akkor a cellasor bypass diódája már beindul, a panel teljesítményét több, mint 1/3-ával csökkentve (kiesik a cellasor termelése, a dióda pedig melegszik). Csak egy módon csökkenthető ez a hatás, mégpedig a bypass diódák kiváltásával, a cellasorok egymástól való függetlenítésével és az árnyékolt cellasor kisebb teljesítményének felhasználásával. A Maxim pont ezt teszi, a bypass diódákat optimalizáló IC-kkel váltja le.

 

Teljesítmények szennyezett panelek esetén

Egy tetőn, valós körülmények között elvégzett teszten a cellasor-optimalizálóval ellátott napelemek mindössze 2,4% teljesítményt vesztettek a tisztán tartott referenciapanelekhez képest, míg a panel-szintű optimalizálóval ellátott rendszer 16,4%-ot. Ez a különbség nagyon messze van az elhanyagolható mértéktől! A nagyobb energiahozam, a hosszabb modulélettartam és a nagyobb megbízhatóság egyértelműen a Maxim megoldása felé billenti el a mérleg nyelvét.

Teljesítmények szennyezett paneleknél

Hagyományos, cellasor-optimalizált és a panelszintű optimalizálóval ellátott napelemek teljesítményei egyforma mintázatban szennyezett/árnyékolt napelemek esetében

 

Maxim Smart videó

Az alábbi videóban valós körülmények között mért hozamokat lehet összehasonlítani, sakktábla alakban elhelyezett hagyományos és Maxim Smart cellasor-optimalizált napelemek között:

Tervezési szempontok

A Maximmal optimalizált rendszerek hasonlóan tervezhetők, mint a hagyományos napelemekkel kiépített rendszerek, csak könnyebben!

A tervezőnek sokkal nagyobb rugalmasságot biztosít a Maxim, mivel az olyan korábbi áthághatatlan ökölszabályokat, mint hogy csak egyforma hosszúságú sztringek kapcsolhatók párhuzamosan vagy hogy egy sztringen belüli napelemek egyfelé kell nézzenek, vagy hogy árnyék által érintett területekre nem teszünk napelemet, a Maxim modulokkal nem kell betartani. Alkalmazhatók különböző hosszúságú sztringek, különböző orientációjú napelemekkel sztringen belül, és árnyékot kapó helyekre is telepíthetők napelemek!
A kalkuláció, méretezés hasonlóan folyik, mint a normál napelemeknél, néhány egyszerű szabály betartásával. Ezek alább említésre kerülnek.

 

Vannak bizonyos tervezőszoftverek, amik már ismerik a Maximot és az általa hozott könnyebbségeket ezért már tudnak vele kalkulálni. Ilyen például az Aurora vagy a PVSys.

Bevilágítottság

Minden napelemes projekt a fényviszonyok felmérésével kezdődik. A következő példán az látható, hogy az Aurora szoftver ezt hogyan mutatja.

Az Aurora szoftver által készített bevilágítottsági hőtérkép

Az Aurora szoftver által készített bevilágítottsági hőtérkép

Ez a felmérés megadja a napelemek lehetséges helyeit. Normál napelemek esetén az egy sztringbe tartozó napelemeket nem szabad különböző orientációkkal, különböző megvilágítású helyekre elhelyezni, mert az komoly hozamveszteségeket okozna. Ezek a megszorítások erősen korlátozzák a tervező lehetőségeit. A cellasor-optimalizáló technológiával azonban a tervezés leegyszerűsödik, mert egyszerűen oda kell tenni a napelemeket, ahol azok a legtöbb napsütést fogják kapni. Nem számít, hogy milyen az orientáció, vagy hogy hogyan változik a megvilágítás a napok folyamán. Itt egyetlen dologra kell odafigyelni, a sztringek hosszúságára.

Sztringhosszúság

A sztringek minimális és maximális hosszúságát ugyanúgy kell meghatározni a Maximmal optimalizált napelemeknél is, mint a hagyományosaknál. A szokásos feszültségértékek (Voc, Vmp) megtalálhatók a napelem hátulján.

Mivel a Maxim modulok rendszerint kb. 5%-kal alacsonyabb feszültséget adnak le, mint a hagyományosak, így előfordulhat, hogy adott sztringbe nagyobb modulszám rakható, mint normál napelemekből. A sztring maximális hosszúságát ugyanúgy kell meghatározni, mint az átlagos napelemeknél, a Maxim napelem adattábláján szereplő értékek szerint.

A sztring minimális hosszúságának meghatározása már egy kicsit több körültekintést igényel, de ez is rendkívül egyszerű. A sztringek minimális hosszát az inverterek DC bemenetének feszültséghatárai adják meg. Egy hagyományos napelemekből álló sztring feszültsége nem változik jelentősen, ha mondjuk egy napelem árnyékba kerül. A Maximnál nem így van, mivel az optimalizáló IC-k megnövelik a rajtuk átfolyó áramot a sztring igényei szerint és egy csökkent teljesítményű, például leárnyékolt panel esetében ez természetszerűleg a feszültség csökkenését vonja magával. Emiatt a Maxim sztringek feszültsége képes csökkenni. A megoldás és a betartandó szabály egyszerű:

Az inverter DC bemenetének alsó feszültséghatára által meghatározott minimális napelemszámhoz hozzá kell adni egy, vagy nagyon sok zavaró tényező fennállása esetén maximum két napelemet:

Különböző orientációk

Egy optimalizált rendszerben nagyon könnyű tervezni, nem szempont, hogy a modulok egyfelé nézzenek, míg egy hagyományos rendszerben alapvetően fontos, hogy a sorba kapcsolt napelemek mindig egyforma megvilágítást kapjanak. Az optimalizált rendszerekben a sztringen belüli napelemek nézhetnek teljesen különböző irányokba.

Fentebb is említettük, hogy a méretezés során az az egyik legfontosabb szempont, hogy a sztring feszültsége mindig benne legyen az inverter bemeneti feszültségtartományában. A Maxim rendszerekben a minimum sztringfeszültség meghatározásakor itt is figyelembe kell venni, hogy a  gyengébben teljesítő napelemek feszültségét az optimalizálók leengedik annyira, hogy a napelem ugyanazt az áramot adja le, mint amit a sztringben a többi napelem végighajt.

A legnagyobb feszültségcsökkenés akkor tud létrejönni, amikor a napelemek kb. fele-fele arányban vannak elosztva keleti és nyugati tájolással. Az ökölszabály, hogy olyan esetekben, mikor vannak délre néző napelemek is, a minimálisan megengedhető sztringhosszúságot meg kell toldani egy, maximum két napelemmel. (Ugyanezt a szabályt emeltük ki vastagon fentebb.)

Amennyiben a napelemek nem néznek délre (mint például a K-NY-i tájolásnál), ott a minimális sztringhosszúsághoz két napelem adandó hozzá, de ennél több soha nem szükséges.

Párhuzamos egyensúlytalanság

A Maximmal lehetséges két különböző hosszúságú sztring párhuzamos kapcsolása. Ilyen esetekben a hosszabb sztring visszaveszi a feszültségét a rövidebb sztringével megegyező szintre, persze emiatt a hosszabb sztring árama arányosan növekedni fog.

jelleggörbék

Hagyományos és Maxim Smart napelem jelleggörbék

A rövidebb sztring feszültségének el kell érnie az inverter alsó bemeneti feszültségtartományát, a hosszabb sztringnek a feszültsége pedig nem szabad, hogy meghaladja a megengedett legnagyobb bemeneti feszültséget (ez a két dolog szinte soha nem tud előfordulni).

Itt említendő meg a kettes számú szabály:

az egymással párhuzamosan kapcsolt sztringek közötti különbség nem haladhatja meg a 20%-ot (például egy 10 és egy 12 napelemes sztring között a különbség 20%, egy 20 és 24 napelemes sztring között szintén).

Ez azért van, mert a hosszabb sztring feszültségcsökkenése áramnövekedéssel jár. A Maxim IC-k nem engedik a korlátlan áramnövekedést, hanem 12A-nél korlátozzák az áramot. Ha a hosszabb és a rövidebb sztring közötti különbség meghaladja a 20%-ot, akkor a hosszabb sztring árama elérheti az elektronikusan lehatárolt 12A-es értéket. Ha az áramnak ennél magasabbra kellene mennie a feszültségcsökkenés arányában, akkor semmi nem menne ugyan tönkre, de vágási veszteségek keletkeznének, és rosszabb lenne a hozam, mint amilyen egyébként lehetne.

Olyan rendszerekben, ahol több mint kettő sztring van, és a sztringhosszak közötti különbség meghaladja a 20%-ot, akkor a rövid sztringbe diódát kell beépíteni, hogy megakadályozza, hogy a hosszabb sztringek nagy visszáramot hajtsanak keresztül a rövidebben, mikor a rendszer üresjárásban van.

Optimalizált P-V görbék

Teljesítmény különböző hosszúságú sztringek párhuzamos kapcsolása esetén

 

A fenti két szabállyal gyakorlatilag le is fedtük a Maxim rendszerek tervezésekor figyelembe veendő extra tudnivalókat. Noha első hallásra ezek új dolgok, de senki nem mondhatja, hogy ez túl bonyolult lenne!

Rendszerméret növelés

A Maxim cellasor optimalizálása teszi lehetővé a legjobb árnyéktűrést, a legfinomabb szabályzásának köszönhetően. Az NREL (National Renewable Energy Lab) független mérései szerint a Maximmal optimalizált smart napelemes rendszerek bizonyos árnyékolási körülmények között akár 40%-kal is jobban teljesítenek, mint a hagyományos modulokkal kiépítettek (lásd a következő képet).

A cellasor-optimalizálókkal a fenti tulajdonságok miatt olyan, időszakosan árnyékos helyekre is lehet napelemeket telepíteni, ahová egy normál rendszer esetében nem lehetne napelemeket felszerelni. Ezeken a helyeken a cellasor optimalizált napelemek képesek költséghatékonyan energiát termelni úgy, hogy nincsenek hátrányos hatással a rendszerre.

Ez a tulajdonság érdekes lehet olyan tetők jobb kihasználása esetében, ahol árnyékoló objektumok vannak, vagy a földre, lapos tetőre telepített rendszereknél, ahol a sorok egymásra árnyékolhatnak.

A cellasor-optimalizálókkal a fenti tulajdonságok miatt olyan, időszakosan árnyékos helyekre is lehet napelemeket telepíteni, ahová egy normál rendszer esetében nem lehetne napelemeket felszerelni. Ezeken a helyeken a cellasor optimalizált napelemek képesek költséghatékonyan energiát termelni úgy, hogy nincsenek hátrányos hatással a rendszerre.

NREL árnyékteszt

NREL árnyékteszt

Nagyobb lehetséges rendszerméret

Vannak olyan jól ismert környezeti okok, amik miatt az egyes napelemek teljesítménye között ideiglenes vagy állandó különbségek alakulhatnak ki. Ilyen okok lehetnek az árnyékok, szennyeződések, hőmérséklet különbségek, cellák különböző gyorsaságú öregedése.

A lapos tetőre, vagy talajra telepített napelemes rendszerek esetében az árnyékolás egy nagyon speciális alfaja, a napelemsorok egymásra árnyékolása szokott jelentkezni, mint megoldandó probléma, ami főleg az őszi és téli hónapokban jelentkezik markánsabban. Egy hagyományos, vagy egy első generációs panel-optimalizált rendszernél emiatt korlátozott az adott területre telepíthető napelemek száma, a sorok egymásra árnyékolásának elkerülése érdekében.

A lapostetőre telepített napelemek esetében jelentős hozamcsökkentő tényező a napelem sorok egymásra árnyékolása

A lapostetőre telepített napelemek esetében jelentős hozamcsökkentő tényező a napelem sorok egymásra árnyékolása

Területfedési arány

A területfedési arány (GCR = Ground Coverage Ratio) a panelek felülete és a rendszer teljes alapterülete közötti szám. Tervezési elvárás, hogy a sorok egymásra árnyékolása miatti éves hozamveszteség ne haladja meg a 3%-ot. Mivel a Maxim paneleken belül a cellasorok függetlenül vannak optimalizálva, így a leárnyékolt cellasor áthidalása és fogyasztóvá válása helyett az is termel annyi energiát, amennyit a körülmények engednek neki úgy, hogy ez a sztringek többi napelemét egyáltalán nem hátráltatja. Emiatt adott területen sűrűbben lehet telepíteni fektetett Maxim napelemekkel a sorokat, mert ha a panelek egymásra is árnyékolnak ugyan, a leárnyékolt cellasorok még termelnek amennyit tudnak, ugyanazon a napelemen belül az árnyékmentes cellasorok teljes erővel működhetnek és az érintett napelemek nem fogják vissza a többi napelem termelését. Így az egymásra árnyékolásból adódó veszteség úgy tartható a fentebb említett 3% alatt, hogy az adott területre sokkal több napelem telepíthető és így sokkal nagyobb hozam érhető el, mint a normál vagy első generációs panel-optimalizált napelemek esetében. Ennek eredményeként egy kisebb sorközökkel újratervezett rendszerrel, ahol kicsit több lehet a sorok egymásra árnyékolása, 10-20%-kal nagyobb energiasűrűség érhető el. A hatékonyabb megoldás következtében az ilyen rendszer fenn tudja tartani ugyanazt az energiahozam/névleges rendszerteljesítmény arányt, mint egy hagyományos rendszer, de jobban lefedett területtel.

A Maxim Smart rendszer energiatermelése növekszik, míg a hagyományos rendszer termelése már visszaesik a sűrűbben telepített sorok egymásra árnyékolása miatt.

A Maxim Smart rendszer energiatermelése növekszik, míg a hagyományos rendszer termelése már visszaesik a sűrűbben telepített sorok egymásra árnyékolása miatt.

Sorsűrűség és energiatermelés

Tervezési szempontból több dolog is megfigyelhető a következő ábrán.

A sorsűrűség és az energiatermelés összefüggése hagyományos és Maxim Smart napelem mező esetében

A sorsűrűség és az energiatermelés összefüggése hagyományos és Maxim Smart napelem mező esetében

Először is, az (A) pont egy olyan sorsűrűséget jelez, amit egy tervező egy normál rendszernél választ. Az adott névleges rendszerteljesítményre jutó éves energiahozam egy optimális kompromisszumát képviseli egy teljesen egymásra árnyékolás mentes sorsűrűséghez képest. A kompromisszumra a limitált tetőfelület legjobb kihasználása miatt van szükség. A tervező azt a pontot választotta ki, ahol a még éppen elfogadott 3%-os éves hozamveszteség jelentkezik.

Másodszor, a (B) pont az eredeti rendszertervvel, ugyanakkor Maxim cellasor-optimalizálóval felszerelt napelemekkel elérhető hozamot mutatja. Ezzel a megoldással a rendszer tulajdonosa már 3-4%-al több hozamot tud realizálni a megnövekedett árnyéktűrés miatt.

A harmadik esetben, amit a (C) jelez, a rendszer tervezője szintén a cellasor-optimalizálóval ellátott paneleket használja, de a sorokat már sűrűbbre tervezte annyival, hogy ne legyen rosszabb az árnyékolás miatt elszenvedett veszteség, mint a legelső (A) esetben. A sűrűbben elhelyezett sorok miatt a területen felszabaduló helyen 15-20%-kal több panel fér még el az eredeti sorközhöz képest. Ez természetesen ennyivel magasabb termelőkapacitást is jelent. Ezzel a megközelítéssel amellett, hogy több villamos energia termelődik, a rendszer megtérülése is kedvező irányba mozdul el.

Legvégül látszik, hogy a hagyományos technológia nem lehet logikus választás sűrű sorköznél (D) a túl nagy energiaveszteség miatt. Alig 20%-os javulás a területfedési arányban a teljes hozam több mint 50%-ának elvesztésével járna.

Árnyékos helyek jobb kihasználhatósága

A fentebb tárgyalt árnyéktolerancia, amit a cellasor-optimalizálás nyújt, természetesen nem csak a sorok egymásra árnyékolásánál segít, hanem bármilyen más árnyéknál is. Lehetővé tehet olyan napelem elhelyezéseket, olyan projekteket, amik e nélkül nem lennének életképesek.

Olyan zavaró tárgyak, mint egy szomszédos ház, közeli fa, egy kiálló objektum a tetőn, vagy egy parapet fal nagyban tudja csökkenteni az energiahozamot.

Olyan zavaró tárgyak, mint egy szomszédos ház, közeli fa, egy kiálló objektum a tetőn, vagy egy parapet fal nagyban tudja csökkenteni az energiahozamot.

A cellasor-optimalizált panelek használatával viszont a tervező tervezhet nagyobb méretű rendszert ugyanazon a helyen, vagy rakhat oda is paneleket, ahová egy hagyományos rendszernél ezt nem tehetné meg. Mindezt annyival éri el, hogy közelebb tehet paneleket az árnyékoló objektumokhoz, mint ha csak normál napelemeket használna úgy, hogy emiatt nem tapasztal a napelem-mezőre kiterjedő hozamveszteségeket.

 

Lassabb degradáció

Egy hagyományos napelemes rendszerben a napelemek egymással sorba vannak kötve, így minden napelemen ugyanaz az áram folyik át. A működés során nem egyformán érik a környezeti hatások a sztring egyes napelemeit. A mozgó bárányfelhők árnyékai, a napelemekre hulló falevelek, a napelemekre kerülő szennyeződések vagy akár a napelemek teljesítménytűréséből adódó különbségek miatt, minden egyes napelemnek más lenne az árama, hogy a maximum teljesítményhez illeszkedő munkaponton (MPP) működhessen. A soros kapcsolásnak köszönhetően a leggyengébb panelek határozzák meg az egész sztring áramát, ami azt jelenti, hogy az összes többi megfelelően működő napelem is kevesebb energiát szolgáltat, mint amire egyébként képes lenne.

Egy Maxim smart napelemben az IC-k minden egyes cellasornak megkeresik a maximális munkapontját úgy, hogy felemelik a gyengébb cellasorok áramát a legerősebb szintjére. A maximális munkapont keresés (MPPT) így cellasoronként valósul meg, minimalizálva a cellák különbözőségéből adódó teljesítmény-eltéréseket is.

Egy napelemes rendszer hosszú élettartama alatt sok olyan probléma jelentkezhet (öregedés, mikrorepedések, PID, stb.), amik mind hozamveszteséget okoznak. Egy első generációs napelemszintű optimalizálással rendelkező (például SolarEdge, Tigo) rendszerben kiküszöbölhető a rosszul teljesítő modul hatása a rendszerre, de a modul-szintű optimalizálási technológia semmilyen hátrányt nem tud kiküszöbölni magán a panelen  belül.

A Maxim cellasoronként integrálta az optimalizálókat a napelembe, így a legjobb munkapont megtalálása már cellasoronként történik, ami a napelemből kiaknázható legnagyobb hozamot eredményezi a technikailag lehetséges legfinomabb szabályzás révén.

Egy első generációs modul-optimalizált napelemnél a leggyengébb cella az egész napelem panel teljesítményét hátrányosan befolyásolja. A Maxim smart megoldásával azonban a cellasorok működhetnek különböző teljesítménnyel, mégsem hátráltatják egymást, a bypass diódák és a gyenge cellasor nem működnek fogyasztóként, így a gyenge cella sokkal kisebb hatással van az egész panel teljesítményére.

 

A Maxim megoldása a hotspot problémára

A Maxim cellasor-optimalizált napelemek által elért magasabb hozam mellett azért is nagyon fontos az árnyéktűrés jellemző, mert a tartós árnyékhatás drasztikusan lecsökkenti a napelemek élettartamát! Az árnyék vagy szennyeződés által letakart cella sztringje ugyanis már nem termelőként, hanem fogyasztóként működik a rendszerben. Már akár 15%-os kitakarás esetében is bekapcsol a bypass dióda. Ez azt jelenti, hogy a sztring árama sokkal nagyobb lenne, mint amit a leárnyékolt cella át tudna engedni magán, ezért az áram a bypass diódán folyik inkább keresztül. Ekkor a dióda melegszik, rajta 5-7W teljesítményveszteség jelentkezik. Ez a kisebbik probléma, de sajnos a problémás cellasztringen keresztül egy visszáram indul el, ami megint csak negatív teljesítményt jelent, ráadásul nagyon felmelegíti a kitakart cellát, cellákat. A hőmérsékletkülönbség jelentős, több tíz fokos is lehet a napelem többi részéhez képest. Ez az úgynevezett “forró cella”, azaz hotspot jelensége. Ez az adott helyen a napelem sokkal gyorsabb öregedését okozza. Nemcsak a cella használódik gyorsabban, de az egész laminátum azon a környéken. Ha ez a jelenség nem egy arra tévedő falevél miatt van, hanem mondjuk egy rendszeresen ott átvonuló fa, kémény, parabolaantenna vagy villanyoszlop árnyéka miatt, akkor a probléma nem kicsi, mert a napelem ugyanazon része kerül rendszeres túlterhelés alá. Ez már jelentős élettartam csökkentő tényező!

bypass dióda versus Maxim IC

Bypass dióda versus Maxim IC

Egy Maxim panel ezt a hatást teljesen kiküszöböli, sőt a problémás cellasorból is képes valamekkora teljesítményt kinyerni, tehát az élettartam növekedése mellett minden esetben felülmúlja egy hagyományos napelem vagy egy első generációs modul-optimalizált napelem teljesítményét (lásd az ábrát), energiahozamát.

 

A hagyományos és a Maxim napelemek éves energiatermelése

Egy Maxim panel minden esetben, még teljesen ideális, árnyékmentes körülmények között is felülmúlja egy hagyományos napelem vagy egy első generációs modul-optimalizált napelem teljesítményét (lásd az ábrát).

Havi energiatermelések összehasonlítása

A cellasor-optimalizálóval rendelkező, illetve a hagyományos napelemek energiatermeléseinek összehasonlítása.

A cellasor-optimalizálóval rendelkező, illetve a hagyományos napelemek energiatermeléseinek összehasonlítása.

A fenti ábrán lilával emeltük ki a Maxim által havonta megtermelt többletek mértékét, a jobboldali, %-os skálának megfelelően. Jól látható, hogy a Maxim minden esetben magasabb hozamot biztosít a hagyományos napelemhez képest.