ábra: Árnyékolás hatása vékonyréteges és polikristályos moduloknál

Ideális esetben a napelem teljesen árnyékmentes, városi környezetben ez azonban gyakran nem megoldható. A napelemek tervezését helyszíni vizsgálatnak kell megelőznie, ahol többek között fel kell mérni az árnyékoltságot is. Rendszerint a rendszer középpontjára, vagy nagy rendszerek esetén annak több pontjára készítik el az árnyéktérképet. Ez készülhet számítással, amikor a főbb árnyékvetők vízszintes és függőleges árnyékszögeit geometriai összefüggések alapján meghatározzák. Ezeket Nappályadiagramon ábrázolva elvégezhető a benapozásvizsgálat, amiből kiderül, hogy az év mely napján és milyen időtartamban vetül árnyék az adott pontra. Halszemoptikás fényképezőgéppel vagy speciális műszerekkel gyorsabb és pontosabb benapozásvizsgálatokat lehet végezni.

Árnyékolást okozhatnak a következő tényezők:

- Ideiglenes árnyékot vetnek a lehulló levelek, a hó, a madárpiszok, szennyeződések, melyek normál körülmények között 2-5% veszteséget okoznak.

12°-os hajlásszög felett a modulok öntisztulóak. Minél meredekebb a modul, annál hatásosabban tisztítja a csapadék. Ha kevés az eső, a napelemeket időnként le kell tisztítani.

- A környező épületek, fák, utcai tereptárgyak jelentős árnyékolást okozhatnak. A napelem tervezésénél gondolni kell arra is, hogy a megnövő növényzet 10-20 év múlva se okozzon problémát. Egy levegőben menő villanyvezeték napközben folyamatosan mozgó árnyéka ugyan kisméretű, de jelentős kiesést okozhat.

- Az épületen lévő akadályokat is figyelembe kell venni (pl. kémények, antennák, villámhárítók, szatellit antennák, kilógó eresz, kiszögellések). Ezek különösen kritikus, éles árnyékot vethetnek a napelemekre. Ha megoldható, az árnyékot okozó tárgyat el kell mozgatni. Ha semmiképpen sem lehet elkerülni az árnyékolást, a rendszer tervezésénél figyelembe kell venni. Maga a rögzítőrendszer is okozhat ún. mikroárnyékot.

- A lapostetőn egymás mögött sorakozó napelemek egymásra is vethetnek árnyékot.

3.6.3.1. Az akadály távolsága

Az éles vetett árnyék különösen nagy energiaveszteséget okoz, mert a beeső energiát akár 60-80%-kal csökkentheti. Minél közelebb van az árnyékot okozó tárgy, annál nagyobb mértékben csökkenti a sugárzást. Az éles árnyék elkerülésének ökölszabálya [33]:

a_opt =108*d (3.4)

ahol

a az akadály távolsága a napelemtől (m), d az akadály szélessége (m).

Ez azt jelenti, hogy egy 5 cm vastag árnyékot vető tárgy lehetőleg legalább 5,4 m-re legyen a napelemtől. Szélesebb akadályok esetén már az is kielégítő távolság, ha egyszerre csak egy sor cellára vetül az árnyék.

3.6.3.2. A veszteségek minimalizálása

Ha az árnyékot nem tudjuk elkerülni, különböző technikákkal csökkenthetjük a hatását.

Célszerű lehet például úgy elfordítani a modult, hogy minél kevesebb sor legyen teljesen árnyékban. A bypass-diódák elhelyezését, a modulok kapcsolási sémáját, illetve az inverterek megtervezését is lehet úgy igazítani, hogy minimalizáljuk a kiesést. Ha például különböző tájolású vagy árnyékoltságú tetőfelületeink vannak, az egyes tetőfelületeket érdemes külön körként kezelni és külön stringinverterekkel ellátni.

Ha a napelemek árnyékmentesek, a soros kapcsolás sokkal egyszerűbb és olcsóbb. Ha azonban részleges árnyékolás várható, a sorosan kapcsolt cellamezőket érdemes párhuzamosan kapcsolni a veszteségek minimalizálása érdekében.

3.7. A várható energiahozam

A várható hozam számításához az ideális hozamot (Eideal) csökkenteni kell a veszteségekkel (pl. szennyeződések, hőmérséklet, árnyékolás okozta veszteségek, inverter átalakítási veszteségei).

A fotovillamos rendszerek teljesítményét jól jellemzi a teljesítményarány vagy PR-érték (performance ratio), azaz a valódi energiahozam és az ideális hozam hányadosa, mely a modulok hatásfokától és földrajzi helyétől független [33].

(3.5) Az ideális hozam a beeső napsugárzás (gPV), a modulhatásfok (η) és a napelemek területének szorzata:

(3.6) A tényleges hozam (E_real) egy megépült rendszer esetén mérhető és ez alapján meghatározható a PR-érték, ami a rendszer „jóságát” mutatja. A PR-érték jellemzően 70-85% között van.

A hatásfokot 1000 W/m² sugárzásintenzitás mellett határozzák meg:

A g_PV (kWh/m²/év) beeső napsugárzás nem a vízszintes felületre vonatkozó napsugárzást jelenti, hanem a napelemmel megegyező tájolású és dőlésszögű 1 m²-es felületre érkező éves energiamennyiséget. Ez vagy mérhető, vagy a vízszintes felületre vonatkozó értékekből számítható. Magyarországon a déli tájolású és 40°-os dőlésszögű felületre kb.

1400 kWh/m²/év sugárzás érkezik, azaz egy 1kWp névleges teljesítményű és 0,8 körüli teljesítményarányú rendszer kb. 1100 kWh/év villamos energiát termel. A rendszer árnyékolása a hozamot csökkenti. Szimulációs programok használatával a hozam pontosabban becsülhető.

3.8. Beépítés

A sikeres épületintegráció előfeltétele az épületszerkezeti, villamossági és esztétikai kérdések egyenrangú kezelése. A beépítés két alapvető típusa a PV additív, az épületburoktól független, illetve konstruktív, a határolószerkezet részeként való alkalmazása (BIPV building integrated photovoltaics). Ez esetben a napelem nem csak áramot termel, hanem időjárás elleni védelmet is nyújt, hőszigetel, hangszigetel stb.

A lehetőségek sokfélék: a napelem kerülhet a homlokzatra, lapostetőre, magastetőre – akár cserepek formájában – vagy lehet árnyékoló. A modulok bordás, pontmegfogásos vagy akár strukturális függönyfalba is integrálhatóak, csak a sima üveg helyére a cellát tartalmazó laminátum kerül [39].

A napelemek beépítésének meg kell felelnie a külső határolószerkezetekre vonatkozó általános követelményeknek. Különös figyelmet kell fordítani az egyes elemek egyszerű cserélhetőségére, a korrózió- és UV-álló anyagok használatára és a külső határolószerkezeteket átlyukasztó elektromos csatlakozások vízzáróságának biztosítására; földelésére.

3.8.1. Magastetők

A tető általában a legideálisabb hely a napelemek elhelyezésére: főként sűrűn beépített környezetben az épületburok egyetlen olyan része, ahol zavartalan a napsugárzás és kedvező a dőlésszög. A napkollektoroknál is gyakran alkalmazott, a meglévő tetőfedéstől független, additív alkalmazás egyszerűen kivitelezhető és költséghatékony, de esztétikailag zavaró lehet, illetve az elektromos kapcsolatok, kábelek ki vannak téve az időjárás viszontagságainak. A modulokat tartó segédvázat a szarufákhoz vagy a tetőlécezéshez rögzítik, de ez utóbbinak kisebb a teherbírása. Léteznek olyan speciális cserepek is, amelyek alkalmasak a váz fogadására. A korcolt fémlemez, illetve trapézlemez fedésekre közvetlenül rögzíthető a váz a héjalás áttörése nélkül kis fülekkel,

de ezek a rögzítések nem tudnak nagy terheket felvenni. A vízzáró kialakításra mindenképpen figyelni kell.

A napelemeket vízszintes sínek fogadják. Ha nem lehet megfelelő helyen rögzíteni a sínt, egymásra merőleges tartóvázat alkalmaznak. A modulok megfogása pontszerűen vagy vonal mentén történik. Nagyobb mezőket gyakran a földön készre szerelnek és daruval emelik be a helyére [33].

3.19 ábra: A tetőfedéstől független és a tetőbe integrált napelemek