A fotovoltaikus rendszerek költségeinek folyamatos csökkenésével és hatékonyságuk növekedésével korántsem utópisztikus elképzelés a 12%-os európai energiapiaci részesedés, amely emellett nemzetgazdasági szempontból is profitábilis. Ez a célkitűzés csak Németországra mint a fotovoltaikus rendszerek legnagyobb európai piacára nézve a telepített fotovoltaikus teljesítmény jelentős növelését jelenti: 2020-ig a jelenlegi 5,5 GW-ról mintegy 80 GW-ra kellene emelni. A Napenergia-ellátó Intézete Napenergiaellátás-technikai Intézet (ISET) az 50 GW teljesítményű fotovoltaikus rendszerek hálózati integrációját vizsgáló tanulmányában egyértelműen igazolta, hogy a fotovoltaikus teljesítmény és a hálózati terhelés kitűnő korrelációban áll egymással: a fogyasztás és az előállítás időben olyan kitűnő összhangban áll egymással, hogy a szoláráram ebben a mértékben minden további intézkedés nélkül betáplálható. A jövőben a fogyasztókat, a termelőt és a hálózatot intelligens energiaellátó rendszerré kell összekapcsolni, mivel az áramfejlesztés a jövőben egyre inkább decentralizált módon és valamennyi feszültségszinten fog történni - ez pedig az összes szintet átfogó hálózatmenedzsmentet igényel.
Hálózatmenedzsment minden feszültségszinten
Az ellátás 100%-os biztonságáról a kifejezetten a jövőben erős növekedésnek induló off-grid piac számára kifejlesztett, innovatív backup-rendszerek gondoskodnak, amelyek irányadó funkciókat integrálnak az intelligens hálózat- és terhelésmenedzsmenthez.
A hálózatmenedzsment a napelempanelnél, valamint a létesítmény egyes rendszerkomponenseinél kezdődik, és az intelligens energiatárolással fejeződik be. A fogyasztók összehangolt terhelésmenedzsmentje is hozzájárul azonban ahhoz, hogy az ellátás biztonsága minden helyzetben és napszakban garantálható legyen.
A hálózatban jelentkező meddőteljesítmény kompenzálásának feladatát ma már a legújabb generációs szolárinverterek látják el. A meddőteljesítmény segítségével egyrészt stabilizálható a hálózati feszültség, másrészt pedig lehetővé válik a hálózati csatlakozási pontoknál jelentkező fáziseltolódások kiegyenlítése. A meddőteljesítmény kompenzálása tehermentesíti a hálózati infrastruktúrát, amely fontos feladat a gyakran erős igénybevétel alatt álló kisfeszültségű hálózatokban. Az induktív meddőteljesítmény betáplálása a kisfeszültségű hálózat feszültségének csökkentésére is használható. Ennek háttere: az effektív teljesítmény kisfeszültségű hálózatba történő betáplálása az inkább ohmos ellenállás miatt feszültségnövekedést okoz. Habár az ohmos jellemző a meddőteljesítmény feszültségcsökkentő hatását is csökkenti, a növekedésnek mindazonáltal csak 20 ... 50%-a kompenzálható, így összességében több fotovoltaikus teljesítmény betáplálására van lehetőség.
Biztonságosabb ellátás az összekapcsolt hálózatban
A hálózatszabályozás további fontos eleme az energiatermelés és -fogyasztás folyamatos egyensúlya, mivel a hálózat - amennyiben nem szigetmegoldásokról vagy részben önellátó struktúrákról beszélünk - önmaga nem képes az energiatárolásra. Jóllehet a teljesítménykiesés nem gyakorol érezhető hatást a helyi kisfeszültségű hálózat frekvenciájára, az összekapcsolt hálózatban mint teljes rendszerben a frekvencia a döntő szabályozási jellemző: a termelés és a fogyasztás közötti kiegyenlítetlen viszony frekvenciaeltérésként jelentkezik, amelyet a hagyományos nagy erőművek egyenlítenek ki. Az UCTE európai összekapcsolt hálózat erre a célra 3 GW teljesítményt tart készenlétben primer szabályozási tartalékként, amely elegendő ahhoz, hogy két nagy atomerőmű egyidejű kiesését kompenzálja. Ha az összekapcsolt hálózat több szabályozási zónára válik szét, nem kerül sor teljesítménykiegyenlítésre. Frekvenciaemelkedést, ill. -csökkenést mutató hálózattartományok keletkeznek - a mai előírások szerint mindkét esetben az összes fotovoltaikus berendezés hirtelen lekapcsolna. Ezért az összekapcsolt hálózat ellátásának biztonsága szempontjából elengedhetetlen, hogy a kisfeszültségű hálózatba betápláló fotovoltaikus inverterek is csökkentsék a betáplált teljesítményt, ha a hálózati frekvencia növekszik.
Hálózat- és terhelésmenedzsment intelligens terhelésvezérléssel
Függetlenül attól, hogy milyen okból történik a fotovoltaikus teljesítmény leszabályozása, ez mindig csak a második legjobb megoldás, mert ezáltal az értékes energia végül is nem kerül felhasználásra. Más megoldás: az energiafelesleg értelmes felhasználása vagy elraktározása későbbi felhasználás céljából. Ehhez a regionális közép- és kisfeszültségű hálózatok tehermentesítése szükséges - legalábbis mindaddig, amíg a modern összekapcsolt hálózattá - tehát egy olyan hálózattá való átépítés, amely az ingadozó energiamennyiséget minden irányba képes elosztani, továbbfejlődik. Az egyik lehetőség a saját fogyasztás. Ez kétszeresen is hozzájárul a tehermentesítéshez: azt az energiát, amelyet közvetlenül a termelés helyén használnak fel, nem kell elszállítani az elektromos hálózaton keresztül. Emellett nincs szükség a hálózaton történő szállításhoz szükséges energiára sem. Ezenkívül a saját fogyasztás esetén a fotovoltaikus rendszerek egyik különleges előnye is megmutatkozik: az energiatermelés és -fogyasztás kitűnő időbeli korrelációja. Rendszerint éppen akkor van a legnagyobb szükség a legtöbb energiára, amikor a napelemes rendszerek a déli órákban a legtöbbet termelnek belőle. A saját fogyasztás a hálózatot tehermentesítő hatásától eltekintve általában a jövőre vonatkozó témák egyike - mindenekelőtt a Németországban már néhány év múlva elérni kívánt hálózatparitást tekintve. Amikor ugyanis bekövetkezik az az állapot, hogy a napenergiával előállított áram pontosan annyiba vagy kevesebbe kerül, mint a konnektorból származó hagyományos áram, minden szolárrendszer-tulajdonosnak arra kell törekednie, hogy az általa termelt áram lehető legnagyobb részét saját maga használja fel.
Ha a fotovoltaikus rendszer teljesítményfelügyeletét elektromos kapcsolóberendezéssel kombináljuk, akkor az automatikus megoldások kínálkoznak a saját fogyasztás növelésére. Ezekre ugyanazok az alapszabályok vonatkoznak: a fogyasztókat csak akkor kell aktiválni, ha elegendő, másként nem hasznosított termelési teljesítmény áll rendelkezésre - ellenkező esetben csak később vagy egymás után kell bekapcsolni őket. Ehhez azonban a rendszernek nem csak a termelési teljesítményt kell ismernie, hanem az aktuális energiafogyasztást is, máskülönben fennáll a veszélye, hogy figyelmen kívül maradnak olyan, már üzemelő fogyasztók, amelyek már teljes egészében vagy részben a rendelkezésre álló fotovoltaikus teljesítményt használják. A legkedvezőtlenebb esetben olyan csúcsteljesítmény keletkezne, amely meghaladja a szolárrendszer energiakínálatát, és a rákapcsolt fogyasztóknak - legalábbis részben - a hálózatból kellene fedezniük energiaszükségletüket. A célszerű műszaki megoldás tehát nem csak a fotovoltaikus teljesítményt rögzíti, hanem a betáplálási számlálót is felügyeli, mely pontosan a megtermelt energia azon részét méri, amelyet nem használnak fel az adott létesítményben. Ha betáplálás történik, a fotovoltaikus teljesítmény meghaladja a fogyasztást, így további fogyasztók bekapcsolása lehetséges.
Energiatárolás teljesítményleszabályozás helyett
Középtávon a fotovoltaikus energia akkumulátorrendszerekkel és szuperkondenzátorokkal megvalósuló közbenső tárolása is vonzóvá válik, mert aki megteheti, hogy tetszés szerint megválaszthatja a fotovoltaikus áramfogyasztási időpontját, jelentős mértékben emelheti az energiafogyasztási kvótát. A jövőben a terheléseltolási eljárások ebben az összefüggésben egyre fontosabb szerepet játszanak majd. Elképzelhetőek olyan intelligens vezérlések is, amelyek fogyasztói oldalon ún. Smart Grideket építenek fel: ezek az energiakínálat függvényében különböző fogyasztókat kapcsolnak be vagy ki, miközben figyelembe veszik mind az adott készülékek energiaszükségletét, mind pedig az előrejelzett termelést. Az EPIA (European PhotoVoltaic Industry Association) egyik forgatókönyve szerint 2020-ban már nem lesz elegendő önmagában a fogyasztók és a termelés időbeli egymáshoz igazítása a termelési fölösleg kompenzálásához, ugyanis amikor az EEG (a német megújuló energiákról szóló törvény) szerinti telepített termelői teljesítmény nagyobb lesz, mint a minimális fogyasztói terhelés a hálózatban, a megtermelt energiát nem lehet bármikor teljes egészében felhasználni. A kisfeszültségű hálózat infrastruktúrája is korlátozó tényezőnek számít, mivel csak a csatlakoztatott lakóegységenkénti kb. 1 kW-os közepes teljesítményre van méretezve. Ha feltételezzük, hogy a fotovoltaikus teljesítmény 40 GW, akkor erős napsugárzás és terhelésmentes időszak esetén kapacitásának határait súrolhatja.
Ezen a ponton a termelés leszabályozása helyett a terhelésmenedzsment kiegészítéseképpen a közbenső tárolás megoldása kínálkozik, ami már napjaink technikájával is minden gond nélkül megvalósítható, könnyen skálázható, megbízható és jól bevált módszer. A közbenső tárolás képes csillapítani az ingadozó termelési teljesítményt, és egyúttal a termelés időpontjától független, folyamatos energiafogyasztást tesz lehetővé. A hálózatot ténylegesen tehermentesítő, célirányos tárolás előfeltétele azonban az, hogy a fogyasztás és a termelés közelében kell történnie. Ezenkívül csak a termelési csúcsokat kell tárolni, mivel minden tárolás költségvonzattal is rendelkezik. A tárolás már ma is kifizetődő azoknál az energiáknál, amelyeket egyébként teljesítményleszabályozással "elkótyavetyélnek": napjaink akkumulátortechnikájával kWh-nként csak 10 ... 20 centbe kerül, ami kevesebb, mint a lakossági fogyasztók áramának beszerzési ára. A napenergia tárolásának első megoldásai már jelen vannak a piacon, és az elkövetkező években jelentős technológiai továbbfejlesztések várhatóak.
A közbenső tárolás segítségével a hálózat- és terhelésmenedzsment keretében felállított követelmények is teljesíthetőek. Itt három funkció kerül előtérbe: először is a folyamatos energiaellátás, amely hálózatkimaradás esetén néhány milliszekundumon belül napenergiával támogatott akkumulátoros ellátásra kapcsol át, így biztosítva a fontos fogyasztók üzemelését. Másodszor: a fogyasztási időpont tetszőleges megválasztásának lehetősége a fotovoltaikus energia közbenső tárolása révén, továbbá a teljesítményeltolás segítségével jelentős mértékben növelhető a közvetlen fogyasztási kvóta. Jelenleg az akkumulátorkapacitás és a backup inverter teljesítménye korlátozó tényezőnek számít. Megfelelő számú backup-rendszer alkalmazása azonban a kisfeszültségű hálózaton túlmenően az összekapcsolt hálózat effektív teljesítményének, ill. frekvenciájának szabályozásához is hozzájárulhat - a nap 24 órájában. Az ilyen decentralizált primer és szekunder szabályozás szintén költséghatékony és megbízható lenne. A harmadik funkció pedig a tetőn elhelyezett fotovoltaikus panelek decentralizált pufferelése, pl. abból a célból, hogy kompenzálja a helyi leárnyékolásokat, de a panel szinte a maximális munkaponton üzemeljen.
Szuperkondenzátorok a csúcsidőszaki energiaszükséglet fedezésére
A Maxwell már 2006 közepén ismertté vált 2,7 V-os szuperkondenzátoraival, amelyek kapacitása az 5 és 3000 F-os tartományban található. Egy 10 F-os kondenzátorral egy piros LED több mint egy óráig üzemeltethető. Az energiatárolási sűrűség több mint 3 Wh/kg, amelyet a következő években mintegy 15 Wh/kg-ra kívánnak növelni. Elektromos járművekben történő alkalmazásukhoz azonban legalább a 100 Wh/kg-ot mindenképp el kellene érniük.
Kétségtelen, hogy a szuperkondenzátorokat a jövőben egyre inkább az intelligens tárolómodulok teljesítményelektronikai alkatrészeként fogják alkalmazni. Fotovoltaikus rendszerekben (hálózatról vezérelt és szigetrendszerekben) történő alkalmazásuk jelentősen javítja azok energetikai tulajdonságait és piaci esélyeit. A szuperkondenzátorok a váltakozó betáplálás és a fogyasztók esetében egyaránt ideális alkatrészek a hálózati dinamika javítása érdekében, és bár fejlesztésük még gyerekcipőben jár, óriási lehetőségekkel kecsegtetnek.
A rendszerek közötti kommunikáció hálózati kommunikációvá válik
A Bluetooth segítségével rendkívül egyszerűen megvalósíthatóak a rendszerfelügyeleti megoldások, mivel a Bluetooth-kompatibilis készülékek önállóan és gyorsan megbízható rádiós hálózatot hoznak létre. Ahhoz, hogy egymástól el lehessen választani a szomszédos rendszereket, először meg kell határozni a rendszer valamennyi inverterének egységes hálózati azonosítóját, hogy közös rádiós hálózatba kapcsolódhassanak. A következő lépésben aztán bármely okostelefonról egyszerűen lehetővé válik a távfelügyelet. A napszaktól független felügyeleti funkciókat vagy a hozamkijelzést akkumulátoros Bluetooth-modulok biztosítják (lásd a 4. ábrán).
A Rutronik az Infineonnal karöltve speciálisan ezen alkalmazás számára kifejlesztette az egy chipbe integrált hálózati megoldást. A chip ezenkívül USB interfészt és számos egyéb elemzési funkciót is tartalmaz. A lényeges elemek az alábbiak:
- rendszerek közötti integrált kommunikáció
- modultól modulig kommunikáció
- okostelefon-kapcsolódási lehetőség Bluetooth-on keresztül
- analóg felhasználói felület mérési és elemzési funkciókhoz
- az egyes szolárpanelek jellemzése impedancia-spektroszkópiával és intenzitásmodulációs fotoáram-spektroszkópiával
- fotoáram feszültséggörbe
- Isc rövidzárlati áram
- üresjárati feszültség Voc
- az egyes panelek MPP maximális munkapontja
- töltési tényező (fill factor), amely az MPP és az üresjárati, ill. rövidzárlati paraméterek viszonyát írja le
- öregedési és degradálódási viselkedés az egyes panelekben vagy a füzéren belül
- hőmérsékletmérés
- lopásfelismerés és/vagy a hálózat változásainak felismerése
Ezzel a Rutronik és az Infineon az első olyan monolitikus, integrált megoldást kínálja, amely egyetlen chipben képes megvalósítani az egyes napelemcellák vagy panelek elemzésének legnagyobb részét.
Intelligens napelempanel-sorkapocs - a napelempanel teljesítményelemzése az impedanciaspektroszkópia segítségével
Az elektrokémiai impedanciaspektroszkópia és az intenzitásmodulációs fotoáram-spektroszkópia kombinációja - a legjobb rendszerelemzés
A félvezetők vagy az oxidréteggel bevont fémek elektrokémiai reakciójának kinetikája rendszerint igen összetett. A reakciókat főként a félvezető szennyezése, az adszorpciós rétegek és a fotoeffektusok befolyásolják. A félvezetők fémes kicsapódását, hidrogénfejlődését, marási folyamatait és korrózióját minimális variációk is ennek megfelelően érzékenyen befolyásolhatják. Az elektrokémiai impedanciaspektroszkópia az összetettebb problémák kinetikájának vizsgálatára is hatékony módszert kínál. Az Infineon új, "System On Chip" megoldása képes pontosan ezt az alkalmazást megvalósítani.
Az elektrokémiai impedanciaspektroszkópia esetében kis amplitúdójú, váltakozó feszültséget vezetnek az egyenáramú potenciálra, és fázisérzékeny módon megmérik a rendszer váltakozóáram válaszát. A ráadott váltakozó feszültség frekvenciája 10 µHz és 500 kHz között váltakozhat, így láthatóvá válnak a rendszerre jellemző időállandók. A GaAs-félvezető elektródák hidrogénfejlődésének impedanciaspektruma pl. a diffúziós folyamatokra jellemző frekvenciákat ("Warburg-impedancia") mutatja, amelyet a hidrogénionok elektrolitokban való szállítása és két időállandó határoz meg. Ezek a hidrogénfejlődés kétfokozatú elektródareakcióját atomi, felület által abszorbeált hidrogénnel írják le. A mérési eljárással egyidejűleg lehetőség van a kapacitási potenciál (C-V) mérésére is, amellyel meghatározható a félvezető szennyezése és szalagkábel-potenciálja, ill. teljesítmény- és valenciasávjának energetikai helyzete az elektrolitban.
A félvezető elektródák elektrokémiai kinetikájának vizsgálata a fémelektródákhoz viszonyítva különösen azért is bonyolult, mert az elektrontranszfer a teljesítmény- és a valenciasávon keresztül egyaránt végbemehet. Magas szennyezettségű félvezetők esetében elektronikus alagúthatás is létrejöhet. Az impedancia-spektroszkópia kiegészítéseképpen az intenzitásmodulációs fotoáram-spektroszkópia (IMPS) is alkalmazható. Ennél a módszernél a fényintenzitást váltakozó feszültség helyett LED-ek segítségével, periodikusan modulált módon, a váltakozó áramot pedig fázisérzékenyen mérik. A két módszer kombinációjával meghatározható a kisebbségi és többségi töltéshordozók hatása a szilíciumcellák ún. Redox-reakciója során.
Összegzés
Az új technológiák, mint pl. a szuperkondenzátorok, rendkívüli lendületet fognak jelenteni az önellátó szigetmegoldások, valamint a saját termelésű és felhasználású napáram felhasználása területén. Az intelligens napelempanel-rendszer összekapcsolja egymással a messzemenően pontos elemzéstechnikát és a rendkívül precíz mérési eredményeket, és online bármikor képes a következő jelláncolatok számára való továbbításra. Ezáltal még a fotovoltaikus panelek öregedési és degradálódási tulajdonságai is kimutathatóak, és mindez gazdaságosan, megfizethető módon.
Szakirodalom:
* Elektrokémiai reakciók kinetikája - Leibnizi Egyetem, Hannover, 2010
* Analitikus modell a stacionárius jelleggörbék és impedanciák számításához - Albert Ludwig Egyetem Fizika Kar, Freiburg, 1999
* Az SMA Solar Technology AG alkalmazási füzetei
* Freiburgi Anyagkutatási Központ (FMF)
* Többszörös napelemcellák vezetési viselkedésének elemzése valós alkalmazási feltételek mellett - Konstanzi Egyetem Fizikai Intézet
* Characterization of Photovoltaic energy conversion device by DC and frequency resolved techniques (IMPS/IMVS) - Autolab Instruments Netherlands
* Alkalmazási dokumentáció az impedancia spektroszkópiához - Andreas Mangler, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
* Szuperkondenzátorok integrálása fotovoltaikus rendszerekbe már ma? - M. Bodach, okl. mérnök, Chemnitzi Műszaki Egyetem