Napelemparkok árnyékolási veszteségei

A napelemparkok legelterjedtebb formája a földre telepített, egymással párhuzamos sorokban elhelyezkedő, szinte megszámlálhatatlan mennyiségű fotovoltaikus napelempanelek együttese. Ilyen kialakítás esetén a szomszédos sorok árnyékot vetnek egymásra, mely jelentős energiaveszteséggel jár.

Az első fotovoltaikus napelemcellát Chapin, Fuller és Pearson alkotta meg 1954-ben, ezt követően a technológia rendkívül gyors ütemben fejlődött, és meghódította az egész világot. Az 1. ábra mutatja a napelemes rendszerek kapacitásbeli növekedését világszerte 2011 és 2021 között, melyből látható, hogy az éves növekedés aránya is egyre magasabb.

Magyarországon a 2010-es évek elején még nem terjedtek el széles körben a fotovoltaikus napelemek, azonban 2021 végére már 2.131 MW összkapacitás állt rendelkezésre.2

Ez a gyors növekedés intenzív kutatásokat eredményez a gyártás technológiai és költségbeli optimalizá- lásában, valamint a termelhető energia növelésében. Napjainkban a napelemparkok menetrendezése az együttműködő energiarendszerek miatt rendkívül fontos, ehhez azonban szükség van a minél pontosabb napelemes szimulációk elkészítésére.

A napelemtervező szoftverek figyelembe vesznek különböző paramétereket és veszteségtípusokat, beleértve az árnyékolási veszteségeket is, azonban ezek nem nyílt forráskódú szoftverek, így kutatási célokra nem alkalmazhatók.

A napelemparkokat már nem kell bemutatni senkinek, bárki találkozhat a talajra elhelyezett, egymással párhuzamos sorokban elhelyezkedő panelekkel.

Azt viszont már kevesebben tudják, hogy milyen tényezők hatnak leginkább a napelemparkok által termelt villamos energia mennyiségére. Figyelembe kell venni a napelemek felületét elérő sugárzás nagyságát, a telepítés helyét, tájolást, a dőlésszöget, a sortávolságot, a külső hőmérsékletet és a napelem cellák hőmérsékletét is. A teljesítmény alakulását azonban a veszteségek befolyásolják a leginkább.

Amikor egy adott pillanatban a napelemcellák eltérő elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, akkor elektromos veszteség lép fel. A veszteségeket elsősorban a napelemek teljes vagy részleges beárnyékolódása okozza, ezen felül veszteség keletkezhet a gyártástechnológia, a panelek sérülése, por- illetve hólerakódás esetén és a kábeleken is, továbbá a napelemeket elérő, de visszaverődés miatt nem hasznosuló fényből is származhat. Ez utóbbi a visszaverődési vagy reflexiós veszteség. A beazonosítható árnyékok kategóriájába sorolhatjuk a valamilyen fix elhelyezkedésű tárgyak/berendezések (például közeli napelempanel, fák, épületek) által vetett árnyékokat, míg a nehezen előre jelezhető árnyékok közé tartozik a felhők és az azok mozgásából származó árnyékok.

A napelempark sorai egymásra is vetnek árnyékot napszaktól függően különböző módon. Az ilyen típusú árnyékolási veszteségeket a tervező programok is figyelembe veszik, azonban a Napból többféle sugárzás érkezik, melyek modellezése bonyolult feladat, nagyrészük általában elhanyagolásra kerül. Napsütéses napok esetén kézzel foghatóbbnak tűnik az árnyékolási veszteség, azonban borús napokon is termelnek villamos energiát a napelemek. Vajon a borús napokon beszélhetünk árnyékolásról és ebből fakadó veszteségről?

Ahhoz, hogy az árnyékolási veszteségeket megértsük, meg kell ismernünk a Napból érkező sugárzások típusait. Az árnyék valamilyen nem áttetsző test miatt alakul ki, mely akadályozza a fény egyenes vonalú terjedését, tehát egy sötétebb térrész látható a felületen. Ez a jelenség a direkt sugárzás kitakarásából származik. A napelemes rendszerek termelésére azonban nem csak ez hat, hanem a felhőkön szétszóródott, átszűrődött, úgynevezett szórt sugárzás, valamint a talajról a napelem felületére visszavert sugárzás is, melyeket a fix elhelyezkedésű tárgyak és berendezések ugyanúgy kitakarhatnak, ezek azonban nem jelennek meg láthatóan, klasszikusan vett árnyékként a napelem felületén. A napelemeket tehát három sugárzástípus éri el, melyeket együttesen globálsugárzásnak nevezzük. A sugárzások a legnagyobb arányban direkt sugárzásból származnak, a szórt sugárzás nagyjából 50%-kal kevesebb, a talajról visszavert sugárzás intenzitása pedig rendkívül alacsony.

Az árnyékolási veszteségek télen magasabbak, mint nyáron, mivel a direkt sugárzás a napéjegyenlőségek (március-szeptember) között jelentős, így a veszteségek ekkor alacsonyabbak. A nyári hónapokban magas sugárzásintenzitás éri a napelemek felületét, ekkor veszteség főként a szórt és a talajról visszavert sugárzás miatt alakul ki.

Egy napelemes rendszer veszteségeinek legnagyobb részét a visszaverődés okozza, de közel ugyanennyire meghatározók az árnyékok hatásai is. Tételezzünk fel egy talajra telepített napelemes rendszert Budapesten, továbbá hanyagoljuk el a napelemek közelében található tárgyakat, építményeket, és csak az időjárás alakulását figyeljük. A veszteségek közel felét a reflexiós veszteség teszi ki, kis túlzással a másik felét az árnyékolási veszteségek adják. Ha egy napelemes rendszer tervezése során csak a hagyományos értelemben vett, vagyis a direkt sugárzáshoz kapcsolódó árnyékolási veszteségekkel számolunk, azzal akár 5-szörösen alulbecsülhetjük ezt a típusú veszteséget. Egy 500 MWh éves energiatermelésű napelemes rendszer esetében ez a többletveszteség 5-7 családi ház éves fogyasztásának megfeleltethető. Tehát az egyszerű árnyékolási modell kisebb veszteséget prognosztizál, mely indokolja a pontosabb számítások szükségességét, legfőként a napelemes rendszerek termelés-előrejelzési modelljei esetén.

1RENEWABLE ENERGY POLICY NETWORK FOR THE 21ST CENTURY (REN21): Renewables 2022 Global Status Report

2IRENA: Renewable Energy Statistics 2022

3N. VARGA, M. MAYER (2021): Model-based analysis of shading losses in ground-mounted photovoltaic power plants