A napelemek működése alapjaiban egyszerűen megfogható: az elem a napsugárzás energiáját villamos energiává alakító eszköz. De hogy működik? Mi az, amit mindenképp érdemes tudni róla?
A napelemek működése: így hasznosítják a napelemek a napenergiát
A napelemek a fotovillamosság elve alapján működnek. Ez más néven fotoeffektus vagy fényelektromos hatás, angolul photovoltaic effect – innen a jelölésükre használt “PV” rövidítés.
A folyamat lényege: fémek, félfémek esetében az elektromágneses sugárzás (s így ennek szűkebb tartományaként az ember számára látható fény) hatására elektromos áram keletkezik.
A folyamat leegyszerűsítve:
- A napelemeket alkotó PV cellák felületét érő sugárzás fotonjai energiájukkal az anyagokat alkotó atomokból elektronokat szakítanak ki;
- a szabaddá váló elektronok a töltéskiegyenlítődéshez az ellentétes töltésű részecskék felé áramlanak, aminek a révén elektromos áram keletkezik.
Milyen napelem fajták vannak, miben térnek el, mik az előnyeik és a hátrányaik?
A legelterjedtebb napelemek előnyös tulajdonságai miatt szilíciumból készülnek. Ennek kristályszerkezete, illetve a meghatározó gyártási technológia alapján alapvetően háromféle típusuk van, amelyeket átlagos esetben ránézésre is meg lehet egymástól különböztetni, de árukban és tulajdonságaikban is különböznek egymástól.
Monokristályos napelemek:
A monokristályos napelemek egymástól elkülönülő cellái kristályos szilíciumból készülnek: a cellák lapkáit a megolvasztott, hengeressé nyújtott, majd a kívánt alakúra formált szilícium tömbből szeletelik le. A szilícium homogén kristályszerkezettel dermed meg, ezért egységes, fekete, sötétszürke vagy kékesfekete szín jellemzi. További jellemzője a lapkák nyolcszögletű alakja, amit a panelen való helytakarékos elrendezés indokol. Az ilyen napelemek rendelkeznek a legnagyobb hatásfokkal (16-19%), viszont inkább a közvetlen napsugárzást képesek jól hasznosítani.
Előnyeik:
- Magas hatásfok és emiatt kis helyigény.
- Hosszú élettartam – a panelek akár 30 éves garanciával is elérhetőek.
Hátrányaik:
- A szórt fényt kevésbé tudják hasznosítani, felhős időben teljesítményük kisebb.
- Érzékenyebbek a tájolásra és a dőlésszögre.
- Gyártásuk energia- és munkaigénye magas, áruk drágább.
Polikristályos napelemek:
A polikristályos napelemek celláinak lapkáit öntéssel, majd a négyzetes tömbökbe öntött és több kristályban megdermedő tömbből való szeleteléssel állítják elő. A cellákat több kristály alkotja, ezért megjelenésük nem homogén. Megjelenésére jellemző továbbá a kékes-lilás árnyalat, a négyzetes alakú cellák pedig nem különülnek el egymástól. Hatásfokuk a monokristályoshoz képest valamelyest alacsonyabb (14-16%), de azoknál jobban hasznosítják a szórt fényt is.
Előnyeik:
- A szórt napsugárzást is hasznosítják, ezért kevésbé érzékenyek a tájolásra és dőlésszögre.
- Viszonylag jó hatásfok.
- Gyártásuk energia- és munkaigénye alacsonyabb, ezért olcsóbbak .
Hátrányaik:
- Kevésbé bírják a hőterhelést: a hőhatás emelkedésével hatásfokuk romlik.
Vékonyrétegű napelemek
A vékonyrétegű napelemek esetében a félvezető anyagot vékony rétegenként gőzöléssel viszik fel a hordozórétegre (ez gyakorlatilag bármi lehet – műanyag, üveg, acél stb.). Leggyakoribb az amorf szilícium (aSi) alkalmazása, de találkozni más anyagokból készülő vékonyrétegű napelemekkel is (pl. CdTe, CIGS). Legalapvetőbb jellemzőjük a tagolatlan, homogén fekete vagy színezett felület és a vékony kivitel. Hatásfokuk ugyan a kristályos napelemekhez képest sokkal alacsonyabb (6-8%), de ők tudják a legszélesebb fényspektrumot hasznosítani és sokrétűbben alkalmazhatóak. A magas hőhatással szemben kevésbé érzékenyek, alacsonyabb hőmérséklet esetén viszont romlik hatékonyságuk.
Előnyeik:
- Szélesebb fényspektrumot tudnak hasznosítani: kevésbé érzékenyek a tájolásra, dőlésszögre, felhős égre és árnyékra.
- Vékonyabbak, könnyebbek.
- Alternatív hasznosítási lehetőségek (hajlított és hajlékony felszínekre, de akár ablaküvegbe is építhetőek).
- Előállításukhoz kevesebb energiára és anyagra van szükség, gyártási költségük és áruk a királyos napelemeknél alacsonyabb.
Hátrányaik:
- Alacsony hatásfok és emiatt nagyobb felület igény, magasabb telepítési költségek.
- Alacsony hőmérséklet esetében romlik teljesítményük.
- Viszonylag rövidebb élettartam (kb. 10-15 év) – jellemzően rövidebb garanciális idő.
Hogyan épül fel egy napelem? Mi rejlik a napelemek működése mögött?
A fotovoltaikus felületek növelése a PV cellák modulokká történő összekapcsolásával lehetséges. A napelemek ilyen modulokból állnak, több napelem összekapcsolásával pedig akár egész erőművek is létrehozhatóak.
A napelemek készítéséhez alapesetben a cellákat sorba kötve egymáshoz forrasztják, majd egy műanyag vagy üveg hát-, valamint egy edzett, komolyabb jégesőt is kibíró üveglap közé laminálják egy-egy ragasztó- (lamináló-) réteg közbeiktatásával. Utóbbi fényáteresztő, és gyakori, hogy a rétegsorba alul még egy fényvisszaverő réteg is kerül. A rétegeket alumínium keret fogja össze, amelyet körben vízhatlan szigeteléssel is ellátnak.
A cellák felületét visszaverődést csökkentő bevonattal és vezetékkel látják el – utóbbiak gyűjtik össze és vezetik el a cellákban keletkező villamos áramot.
A napelemek nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, ezért alapvetően zaj, melléktermékek és üzemeltetési költségek nélkül működnek.
Hogyan jellemezhető a napelemek működése a nap folyamán?
A napelemek alapvetően napkelte és napnyugta között működnek. Teljesítményük a felületükre eső napsugárzás intenzitásától függ, ezért legjobb teljesítményüket – a napelem tájolásától függően – a déli órákban érik el. Azaz, a napelemek által “megtermelt” villamos energia mennyisége a nap folyamán változik: alapesetben hajnaltól a déli órákig emelkedik, utána napnyugtáig csökken.
De mi történik akkor, ha az energiaigény máskor lép fel? Egy átlagos háztartás esetén a helyzet tipikusan ilyen: a magasabb energiaigény a reggeli, valamint a késő délutáni és esti órákban jelentkezik.
A napelemes rendszerekben a napelemek felől érkező villamos energia előnyt élvez, a háztartási hálózat elsődlegesen ezt használja. Amennyiben a termelés nem fedezi a szükségletet, a szükséges plusz energiát vagy a rendszerhez csatlakoztatott akkumulátorok, vagy pedig, amennyiben a rendszer csatlakozik hozzá, a villamos energia hálózat biztosítja.
Ez fordítva is igaz: az elektromos eszközök által fel nem használt energiát vagy tároljuk valamilyen módon, vagy betáplálhatjuk a villamosenergia hálózatba.
Magyarországon az áramszolgáltató háztartási méretű kiserőművek esetében köteles átvenni a “megtermelt” villamos energiát, aminek a mennyiségét automatikusan levonják a fogyasztásból.
Vagyis, egy jól méretezett rendszer esetén teljes villamosenergia fogyasztásunkat fedezni tudjuk, függetlenül attól, hogy a termelés és a fogyasztás időben milyen mértékben találkozik.
Hogyan kell elhelyezni a napelemeket, hogy maximális teljesítményt nyújtsanak?
A napelemek teljesítményét elhelyezésük is befolyásolja. Főszabály szerint a Nap nyári pályájához viszonyított tájolásra és dőlésszögre kell odafigyelni.
A napelemeket déli irányban érdemes tájolni. A teljesítményvesztés mértéke dél-keleti és dél-nyugati irány esetén öt, nyugati és keleti irány esetében viszont már tizenöt százalékos is lehet.
Optimális dőlésszög esetében a felületet a déli órákban merőlegesen éri a napfény – ehhez a napelemeket jellemzően 30 és 45 fok közötti szögben kell beállítani. Az eltérés megint csak teljesítmény csökkenést okoz. Továbbá a napelemek lehetőség szerint árnyékmentes felületre kerüljenek, mert az árnyékban a termelés csökken.
Gyakran Ismételt Kérdések
A napenergia hány százalékát hasznosíthatjuk?
A napelem hatásfokától és tényleges teljesítményétől függően a napelemre eső sugárzás átlagosan 15-20%-át.
Hogyan tud egy napelem este is áramot szolgáltatni nekünk?
A napelem naplemente után ugyan nem termel villamos áramot, ám a napközben megtermelt és fel nem használt mennyiség sem vész kárba. Azt akkumulátorokban lehet tárolni vagy a villamos energia hálózatba lehet táplálni – ezekből a forrásokból pedig később is hasznosítani tudjuk.
Milyen elven működik egy napelem?
A napelemek a fotovillamosság elve alapján működnek: a felületüket érő napsugárzás hatására elektromos áram keletkezik bennük.
