Goda Lilla
okl. épületenergetikai és -eljárástechnikai gépészmérnök

A 2019-es Intersolar kiállítás egyik fő tanulsága, hogy a digitalizációnak és a bővülő piaci igényeknek köszönhetően a naperőművek fő egységét képező inverterek fejlődése megállíthatatlan.

A Napból jövő sugárzást a napelemek hasznosítják, alakítják át egyenáramú villamos energiává. Az energia egyenáramú vezetékeken keresztül jut el az inverterhez, amely váltakozó árammá alakítja át a panelektől érkező egyenáramot. Ez a váltakozó áram pedig szabadon felhasználható a különböző eszközök, berendezések, munkagépek működtetéséhez. A napelemek és az inverter közötti részt DC (direct current) oldalnak nevezzük, hiszen ott egyenáram folyik. Az inverter és a hálózat közti rész elnevezése AC (alternating current), azaz váltakozó áramú oldal.

Az invertert nem véletlenül tartjuk a napelemes rendszer lelkének és agyának, ugyanis mindamellett, hogy átalakítja az egyenáramot váltóárammá és szinkronizálja a hálózattal, számos egyéb funkcióval is rendelkezik. Megválaszthatjuk a hálózatba visszatermelt energia mennyiségét (W), minőségét, például feszültségét (V) és frekvenciáját (Hz). Beállíthatjuk továbbá a kívánt időintervallumot, amikor a hálózatra szeretnénk táplálni. Egyes inverterfajtáknál lehetőségünk nyílik internetes kapcsolaton keresztül felügyelni a rendszert. A megtermelt egyenáramú villamos energia lehető legenergiahatékonyabb és legköltséghatékonyabb átalakítása váltakozó árammá csak néhány évvel ezelőtt volt az inverterek teljes feladatköre, azóta már sokkal többet várunk el tőlük, és ma már felül is múlják elvárásainkat.

Forrás: http://mnmsolar.com/images/pages/
hybrid.jpg

2019-ES KNIGHT RIDER

Manapság az inverterek feladata a villamos energia átalakításán túl a sztringekbe kötött napelemmodulok és a napelemes erőmű által megtermelt többletenergiát eltároló akkumulátorok elemzése és vezér­lése, akár egy okos otthon részekén. Tartalmaznak továbbá digitális kommunikációra szolgáló interfészeket, és olyan energiairányítási rendszerekhez csatlakoznak, amelyeket például az elektromos jár­műveknél alkalmaznak. Mindez tulajdonképpen azt jelenti, hogy az erőművünk és az elektromos autónk képes „beszélgetni”? Igen, azt! 2019-es Knight Rider, csak nem a filmvásznon, hanem a kertünkben!

A fejlesztés mozgatórugója egyértelműen a digitalizáció előrehaladása, melyhez hozzá járul egy újgenerációs fogyasztói igény: a saját magunk által előállított és felhasznált megújuló energia.

Az új fogyasztói réteg neve prosumer, ami az angol consumer (fogyasztó) és professional (szakértő) szó összeolvadásából jött létre, és azokat a laikus fogyasztókat értjük alatta, akik minőségi vagy professzionális használatra alkalmas eszközöket vásárolnak. Naperőművi tekintetben egyszerre energiatermelők és ener­giafogyasztók.

Az erőmű által megtermelt többletenergiát akkumulátorokban tárolják mindaddig, amíg valamelyik háztartási berendezés nem igényli és használja fel. Egy modern inverternek már a modern fogyasztói elvárásokkal kell szembenéznie, hiszen az ember alaptermészete a kíváncsiság és a tudásvágy, egyre többet és többet szeretnénk megérteni és birtokolni a fejlett technológia nyújtotta lehetőségekből.

HIBRID INVERTEREK

A fogyasztói igény bővülése, a fogyasztóként megtermelt villamos energia hátrányos energiapiaci helyzete és a technológia fejlődése hívta életre az inverterek legújabb típusát, a hibrid invertereket. A hibrid rendszer rendelkezik akkumulátorral, ugyanakkor a villamosenergia-átviteli hálózatról is képes energiát vételezni, vagyis a hibrid inverter csatlakoztatható az országos villamosenergia-átiviteli hálózathoz és akkumulátorokhoz is.

Léteznek háromfázisú, három MPP bemenettel rendelkező típusok, amelyeknél az egyik bemenet kombinált, miáltal a különböző gyártók akkumulátorai csatlakoztathatók hozzá, továbbá az energiatároló egységek későbbi integrálása is lehetséges a készülékhez.

A hibrid inverterek feszültségtartománya számos további lehetőséget kínál az újonnan telepített és a bővítendő fotovoltaikus rendszerekhez is. Az erőmű által megtermelt energia először az épület energiaigényét szolgálja ki, a következő lépésben az akkumulátorok töltése történik, és csak ezt követően irányítja az energiát a villamosenergia-átvételi hálózatra. Vannak olyan országok, ahol a villamosenergia-hálózatra való csatlakozás csak szakaszosan lehetséges, így ezt a funkciót esetenként le lehet tiltani, majd engedélyezni.

Az 1. ábráról leolvasható a hibrid inverteres rendszerek felépítése. Az első egység a napelemmodulok összessége, amelyek az energia előállítását végzik. A második egység maga az inverter, amelynek feladatairól már szót ejtettünk. A harmadik nagyobb egység maga a vil­lamosenergia-rendszer, a negyedik egység az energiatárolás, vagyis az akkumulátorok.

1. ábra

Az akkumulátorok kiválasztása a legnagyobb körültekintést igénylő tervezői feladat. Ipari tapasztalat szerint az akku­mulátorokat 0 °C feletti és 25 °C alatti hőmérsékleten célszerű tárolni, hogy élethosszukat növeljük. Az akkumulátorokat az emberi életvédelemnek megfelelő fém akkumulátorszekrényben kell tárolni, amelyet külön földeléssel kell ellátni.

Az akkumulátorok ciklikusan működnek, egy ciklus akkor következik be, amikor kapacitásának egy bizonyos százalékára lemerül a tárolóegység, majd újra feltöltődik a teljes szintre. Azt a százalékot, amennyivel egy akkumulátort meghibásodás nélkül le lehet meríteni, a lemerülés mélységének nevezik. Az úgynevezett deep-cycle akkumulátorokat úgy tervezték, hogy ismételten lemerüljenek és feltöltődjenek, anélkül, hogy romlanának műszaki tulajdonságaik, így naperőművekhez érdemes ezt a típust választani.

Bár az ábrán nincs külön megjelenítve, mégis az erőművek nagyon fontos része a töltésvezérlő. Az MPPT típusú töltésvezérlők a napelemek feszültségkimenetét mérik és összehasonlítják az akkumulátor feszültségével, a töltésvezérlő valós időben számolja ki az optimális töltési paramétereket. A töltésvezérlők megvédik az akkumulátorokat, hogy feltöltődésük után nehogy többletáram vagy feszültség érje őket, ami kárt okozhat bennük.

MEGBÍZHATÓ ÁRAMELLÁTÁS

A hibrid inverterrel rendelkező naperőmű on grid – off grid kettőségének köszönhetően mind az akkumulátor meghibásodása, mind a hálózat ingadozása esetén ellátásbiztosított a rendszer, eltekintve természetesen a kettő egyidejű meghibásodásától. A hagyományos, háztartási méretű, hálózatra termelő rendszerek invertere áramszünet esetén nem működik, mivel tárolókapacitás nélkül a teljesítmény-, feszültség- és frekvenciaértékek többlettermelés esetén nem tarthatók a megfelelő tartományban, így károsodást okoznának a berendezésekben, továbbá a villamosenergia-rendszer feszültségmentesítése szükséges a javítások elvégzéséhez.

Forrás: http://fyshwickmarkets.com.au/
wp-content/uploads/solar-panels-
Final.jpg

Ezzel szemben a hibrid üzemű rendszerek alkalmazása biztonsági mentésként szolgál, automatikus tájékoztatást biztosít a felhasználók számára az esetleges hibákról alkalmazásokon vagy portálokon keresztül. Áramkimaradáskor az előzetesen, napelemek által feltöltött akkumulátorok üzemelnek, így téve folyamatossá az áram­ellátást. A hibrid rendszerek másik előnye a tervezésnél mutatkozik meg, ugyanis a hagyományos rendszereket a berendezések hatásfoka, veszteségei és szállítási sérülései miatt érdemes túlméretezni, azonban a hibrid rendszereknél az energiatárolás lehetősége miatt nem szükségszerű a napelem modulok számának bővítése.

A hibrid rendszereknél lehetőség van arra, hogy az akkumulátort egy másodlagos energiaforrás töltse (dízelgenerátor, szélkerék). A napelemek által előállított energia természetesen a hibrid rendszereknél is mindig elsőbbséget élvez a másodlagos energiaforrásokkal szemben, de a másodlagos energiaforrásokkal is kombinált hibrid rendszer már megbízható ellátást biztosít egész nap és egész évben.

ENERGIATÁROLÁS

Mi történik akkor, ha a megtermelt energiát nem vagy nem csak akkumulátorban szeretnénk tárolni? Nos, a villamos energia tárolása és szabályzása mindig is kihívást jelentett a mérnökök számára, azonban születtek rá alternatívák, mint az akkumulátorok, a víz-elektrolíziséből előállított hidrogéngáz és annak PEM üzemanyagcella alapanyagaként való felhasználása vagy a szivattyús-tározós erőművek (SZET). A szivattyús energiatározó segíti a villamosenergia-hálózatot a terheléski­egyenlítésben és a szabályozási feladatokban.

Forrás: https://sustyvibes.com/wp-content/
uploads/2017/09/solar-panels-
760×420.jpg

Az éjszakai minimumterhelésnél többletterhelést generál, amivel megoldást nyújt a leszabályozási problémákra, a nappali csúcsidőszakban pedig a tárolt vízenergia felszabadításával segíti a villamosenergia-igények kiszolgálását. Maximális terhelését közel egy perc alatt képes leadni, és nem szükséges részterhelésben üzemelnie, így egy országos villamos­energia-rendszer meghatározó szabályozó kapacitásává is válhat. A szivattyús-tározós erőmű működési elve, hogy amikor nagyobb a rendszerterhelés, például csúcsidőszakban, akkor energiát termel azzal, hogy a felső víztározóban lévő víztömeget leengedi egy turbinán keresztül, amivel a víz helyzeti energiáját alakítja át villamos energiává. Amikor pedig energiatöbblet keletkezne, völgyidőszakokban, akkor a szivattyúk segítségével az alsó rezervoárból a felsőbe juttatja a víztömeget, így növelve a fogyasztást a termelés mértéke mellé. [1]

INDIREKT TÁROLÁS

Háztartási méretekben is létezik egy jövőbe mutató megoldás a többlet-villamosenergia indirekt tárolására, amelyet szintén nevezhetünk hibrid rendszernek. Abban az esetben alkalmazzuk, amikor nem akkumulátorokban kívánjuk tárolni az energiát, de a villamosenergia-hálózatnak sem szeretnénk átadni. Ennek során a megtermelt, de pillanatnyilag fel nem használt villamos energiát hőenergiává alakítjuk, ilyen megoldás az elektromos fűtés.

Elektromos kazán alkalmazásakor a fűtési körbe vezetendő víz melegítését villamos energia fedezi, a kazán hőcserélőjében elhelyezett fűtőpatronok szolgáltatják a hőt, és adják azt át a hőközvetítő víznek. Szivattyú szállítja a fűtővizet a hőt termelő kazántól a hőleadó berendezésekhez (radiátor, padlófűtés stb.).

Egy második lehetőség, amikor maga a közvetlen hőleadó működik villamos energiával, mint az elektromos padlófűtés, felületfűtés, elektromos radiátor stb. Tehát a megtermelt többletenergiát a fűtési kör vizében, a háztartási meleg vízben (HMV), vagy a felmelegített levegőben tároljuk el, ezzel növelve a rendszer hatékonyságát.

A hibrid inverterek és hibrid rendszerek elterjedése újabb alternatívákat biztosít, hogy háztartási méretben is tartsuk a lépést a modern ipari technológiákkal. A tudománynak és technológiának köszönhetően 2019-ben már kedvünkre csemegézhetünk az energiahatékony és költ­séghatékony megoldások közül, akár a professional, akár a prosumer fogyasztói réteg tudatos tagjaként.

 

Hivatkozás

[1] https://www.mvmpartner.hu/hu-HU/Szolgaltatasok/Villamos-energia/ Erdekessegek/Szivattyus-tarozoseromuvekfeladataeshasznalataavillamosenergia-rendszerben