A smart rendszerek hozadéka: költségmegtakarítás és teljesítménynövelés
A hazai napelemes piac egyik fő szenzációja az utóbbi években a teljesítményoptimalizálás. Ezt a témakört leginkább a SolarEdge nevű céghez tudják kapcsolni, akik már hallottak ilyesmiről. Tekintsük át ebben a cikkben, hogy mi is az a teljesítményoptimalizálás? Hogyan alakult ki? Hogyan működik? Miért a SolarEdge jut eszébe mindenkinek? Mit tudnak a SolarEdge rendszerek? Létezik-e jobb technológia annál, amit a SolarEdge kínál?
Először egy kis technikai történelem.
A napelemes rendszerekben a napelemeket sorba, úgynevezett “sztring”-ekbe (angolul string) kötik. Így összeadódnak az egyes napelemek feszültségei és ugyanaz az áram folyik keresztül a napelem sztring összes tagján.
Mind a négy, vízszintesen ábrázolt napelem sztringen ugyanakkora árammennyiség folyik át.
Ez nagyon jó lenne, ha nem állna fenn az a kellemetlen helyzet, hogy ha egy napelem kevesebb fényt kap, vagy szennyeződik, vagy bármilyen más okból leárnyékolódik, esetleg valamilyen okból tönkremegy, akkor az egyetlen problémás napelem visszafogja a sztring összes többi napelemének a teljesítményét. Így az egész sztring, az egész napelemes rendszer sokkal rosszabbul teljesít, mint kellene.
Erre a problémára kínálnak részmegoldást a napelemekbe épített áthidaló-, úgynevezett bypass diódák, amik részben enyhítik a fenti problémák negatív hatásait.
A panelszintű védelem lényege, hogy a falevél árnyékolása miatt ellenállássá vált középső cellasorhoz kapcsolódó áthidaló (bypass) dióda kinyit, így a zöld nyíllal jelzett áram nem folyik keresztül a problémás cellasoron, nem hevíti túl és így nem károsítja azt.
Sokan gondolkodtak, hogyan lehetne tényleg kielégítő módon megoldani ezt a problémát. A feladat gyakorlatilag az, hogy napelemenként történjen a maximális munkapont keresése (MPPT), így minden napelem aszerint működjön, amit a környezeti hatások lehetővé tesznek neki és ezeken túl ne korlátozzák le egymást és semmi más se akadályozza a működésüket.
A mikroinverterekhez fűzött kezdeti remények…
Eleinte jó megoldásnak tűntek a mikroinverterek. Minden egyes napelem kapott egy-egy saját invertert, amik külön-külön betápláltak az AC hálózatba. A napelemeknek így gyakorlatilag semmi közük nincs egymáshoz, minden egyes napelem a saját inverterével egy-egy kis önálló rendszert képvisel. Ezzel a megoldással azonban több probléma is adódott.
- Az egyik a túl magas ár. A rendszerek túl drágák, nem versenyképesek a hagyományos rendszerekkel szemben.
- A másik probléma az üzembiztosság kérdése. Minden napelemhez egy rendkívül bonyolult elektronika kapcsolódik, az időjárás viszontagságainak kitéve. Ennek megfelelően elég nagy a meghibásodási arány is.
- A harmadik probléma, hogy a mikroinverterek az amúgy is meleg napelemeket tovább melegítik, ezzel csökkentve a hozamot.
A régi problémák megoldása sikerült, de mi a megoldás az újabbakra? Ezek a megválaszolatlan kérdések okozták a technológia vesztét, mivel mára a mikroinverterek gyakorlatilag jórészt kikoptak a forgalomból, megválaszolatlanul hagyva a kritikus kérdéseket.
Itt jön be a képbe a SolarEdge! 2010-ben léptek piacra az első napelem optimalizálójukkal, mára túl vannak a 10 000 000 leszállított egységen. Még ma is rendkívül népszerűek, de mi is a titkuk?
A SolarEdge optimalizációs megoldása
A SolarEdge új módon közelítette meg a fentebb vázolt problémákat. Külön MPPT kell minden napelemhez? OK, minden napelemhez kapcsolunk egy ilyen egységet. Nem jó, ha sok bonyolult, hőt termelő elektronika a napelemek alá kerül, kitéve az időjárás viszontagságainak? Akkor legyen egy közös inverter és az kerüljön védett helyre! Így született meg a SolarEdge saját megoldása.
Hogyan is működik ez? A SolarEdge által fejlesztett modul optimalizálók DC/DC konverterek, amik a napelem oldalán képesek ellátni a szükséges MPPT funkciókat. A másik oldalon egymással és az inverterrel kapcsolódnak a DC vezetékelésen keresztül. Itt tehát nem a napelemek vannak sorba kapcsolva, hanem az optimalizálók, amikkel párhuzamosan a napelemek. A SolarEdge invertere egy „lebutított” inverter, amiből kihagyták azokat a funkciókat, amik benne vannak az optimalizálókban. Így ezek az inverterek kisebbek, megbízhatóbbak mint az átlag, ezért a SolarEdge átlag feletti, 12 éves garanciát mer vállalni az invertereire. Hátrány, hogy a SolarEdge inverterek csak SolarEdge optimalizálókkal képesek együttműködni. Ez fordítva nem igaz, mert a SolarEdge optimalizálók képesek bármilyen inverterrel működni, bár ez funkcióvesztést okoz, vagy plusz SolarEdge hardverek megvásárlását teszi szükségessé.
A rendszer úgy működik, hogy minden egyes optimalizáló megpróbálja kinyerni a napeleméből a lehető legnagyobb teljesítményt. Ezután az optimalizálók együttműködnek és mindegyik úgy alakítja a kimenetét, hogy egy közös áram (sorba kapcsolt optimalizálók) mellett, a feszültségeik összeadódva kiadják az a fix feszültséget, amire a SolarEdge inverternek szüksége van a bemenetén (egyfázisú inverternél pl. 350V).
A SolarEdge rendszerek képesek 3-25%-al nagyobb hozamot biztosítani, mint egy hagyományos napelemes rendszer, attól függően, hogy mennyire problémás a telepített rendszer. Egy árnyékmentes, jó napelemekkel készült napelemes rendszernél a SolarEdge-el optimalizált rendszer lehet, hogy csak 3%-al hoz több energiát, míg egy olyan esetben, amikor a napelemeken rendszeresen végigvonul egy árnyék, ott ez a hozamkülönbség elérheti a 25%-ot is. A SolarEdge optimalizálása nem teszi jobbá a napelemeket, de a sorba kapcsolásukból eredő problémákat viszont képes jelentősen lecsökkenteni.
Emellett a SolarEdge rendszereknek van két funkciójuk, ami rendkívül hasznos tud lenni. Az egyik, hogy a rendszer monitoringja napelemkre lebontva képes működni, mint a mikroinverteres rendszereknél. A másik előnyös tulajdonság a SafeDC üzemmód, ami tényleg biztonságot ad. Ugyanis, ha egy SolarEdge rendszer éppen nem működik valamilyen okból (lekapcsolás, áramszünet, műszaki hiba, stb.), akkor az optimalizálók 1-1 voltot adnak ki, komoly teljesítmény nélkül, ami az egész DC vezetékszakaszt biztonságossá teszi, mert a hagyományos rendszerek DC vezetékein mindig ott a teljes string feszültsége amíg odakinn világos van.
Persze ez csak akkor működik, ha az inverter is a SolarEdge-é, vagy (más inverter használata esetén) ha beépítettünk a rendszerbe egy SolarEdge Safety and Monitoring Interface-t. Így van ez a monitoring rendszer esetében is. Ha más gyártó inverterét használjuk, és nem akarunk veszíteni a monitoring funkciókból, akkor is meg kell vennünk a plusz SolarEdge hardvert.
A fenti okok miatt és a 12 éves garanciaidőt figyelembe véve a SolarEdge optimalizálóit leginkább SolarEdge inverterrel érdemes használni.
Vannak ennek a technológiának hátulütői is, vagy minden szép és jó? Természetesen itt sem minden tökéletes. Fentebb említettük, hogy az optimalizálókat igaziból a SolarEdge inverterrel érdemes csak szerelni, ami egy erős megkötés. A legnagyobb hátrány mégsem ez.
A SolarEdge rendszereket a gyártó úgy képzeli, hogy azok folyamatosan az Internetre vannak csatlakoztatva. Ez Magyarországon igaz is a legtöbb esetben, de nem mindig. Ha probléma van a rendszerrel, akkor a SolarEdge szervizmérnökei az Interneten keresztül próbálják leellenőrizni a működést. Ha van a rendszernek Internet csatlakozása, akkor ez nem probléma, de ha nincs, akkor onnantól bonyolulttá és lassúvá válik a megszokottól eltérő ügyintézés.
Szintén az ügyintézést lassítja a vevőknek érdekes és hasznos szolgáltatás, a napelemenkénti monitoring rendszer. A rendszerek tulajdonosai rengeteg fals riasztást adnak, mert egy-egy napelem nem úgy teljesít mint a többi. Az összes riasztást le kell ellenőrizni, pedig lehet, hogy csak egy árnyék az ok. Ez a rengeteg eladott rendszer miatt mostanra nagyon leterhelte a SolarEdge szervizcsapatát, ami az ügyintézés lelassulását eredményezte. Ezen remélhetőleg hamarosan felül tudnak kerekedni. Kérdés milyen költségekkel, jó-e hosszú távon ez az üzleti modell?
Saját tapasztalataink szerint a SolarEdge jó technológia. Működés közben elromlott inverterrel még nem találkoztunk, csak olyannal két esetben, amikor már azok gyárilag hibásak voltak, de ezeket azonnal felfedeztük.
Az optimalizálók tapasztalataink szerint némileg nagyobb arányban hibásodnak meg, mint a hagyományos inverterek. Ez nem jó hír, de nem szabad elfelejteni, hogy ebben az esetben a SolarEdge rendszerekben csak a hibás optimalizálóra kötött napelem termelése esik ki, a rendszer alapvetően működik.
Milyen opciói léteznek a SolarEdge-nek? Már elkezdtek megjelenni a versenytársak. A Tigo tűnt a legközelebbinek, bár a technológiája sok mindenben eltér a SolarEdge-étől. Messze nem voltak képesek olyan piaci sikert elérni, mint a SolarEdge. Nemrég felvásárolta őket az SMA, majd meglátjuk mit tudnak kihozni belőle. Idén már megjelentek a kínai utánzatok és egy-két európai cég is próbálkozik ezen a fronton. Nem lesz könnyű felzárkózniuk.
Jelenleg a SolarEdge számára “legveszélyesebb” és legígéretesebb új technológia az optimalizálás.
Milyen megoldás a Maxim cellasor-optimalizálás?
A cellasor-optimalizálás lényege, hogy a kihasználva a napelemek felépítését a lehető legmélyebben avatkoznak be annak működésébe. Egy napelemben 3 egymástól teljesen független rész van, sorba kapcsolva. A modul kimenetén kijövő két vezeték ennek a három sorba kapcsolt résznek a pozitív és negatív vége. Emiatt a moduloptimalizálók csak egyben képesek kezelni ezt a három részt, vagyis a komplett napelemet.
A Maxim IC-kkel optimalizált napelemeknél az IC-k a bypass-diódák helyére kerülnek. Így a napelem 3 különálló részét külön is kezeli egy-egy IC. Ilyenformán kapunk 3 különálló, önállóan teljesítményoptimalizált napelemet egy közös lapba laminálva. Ennél jobban nem is lehet belemenni a napelembe, mert a következő szint a cellák szintje, de azok már nincsenek egyenként kivezetve a laminátumból.
Ennek a megoldásnak több pozitív hozadéka is van:
- az optimalizálás hatásfoka sokkal jobb még a modul-szintű optimalizálást használó rendszereknél is, ami az elérhető legnagyobb energiahozamot eredményezi
- a napelemeken semmi különös nem látszik, nem is igényelnek egyedi kezelést, plusz szerelési munkákat, egyedi invertertípust
- sokkal megbízhatóbb működés a robosztus integrált áramkörnek köszönhetően szemben a bonyolult, sok diszkrét elemből felépülő elektronikákkal szemben
- megnövelt modulélettartam annak köszönhetően, hogy a megoldás kiküszöböli az árnyékoknál, letakarásoknál kialakuló cellaforrósodást és az ebből eredő idő előtti elhasználódást
Mindezen előnyöket rendkívül előnyös áron képes biztosítani a technológia, mivel az IC-k tömeggyártása nagyon olcsó, így a beépítésük csak kis mértékben drágítja meg a napelemeket. Emiatt a széles körű elterjedése nem fog sokat váratni magára. 2018-tól lejárt a Jinko Solar exkluzív joga az IC-k használatára, innentől más gyártók is beépíthetik a napelemeikbe.
Összehasonlító táblázat:
Ha felkeltette érdeklődését ez az új Maxim technológia, lépjen kapcsolatba munkatársainkkal.