Napelem

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Napelemcella (egykristályos)

A napelem vagy fotovillamos elem olyan szilárdtest eszköz, amely az elektromágneses sugárzást (fotonbefogást) közvetlenül villamos energiává alakítja. Az energiaátalakítás alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít, vagyis elektromos áram jön létre. Ez a jelenség bármilyen megfelelő fényspektrummal rendelkező fényforrás esetén is lezajlik, nem szükséges kizárólagosan napfény.

A napelemekre általában 20-25 év a garancia, jellemzően 20-40 év az élettartamuk. A napenergia hasznosításában hosszabb távon számottevő növekedés várható.

A ma létező nagy teljesítményű naperőművek jellemzően nem ezt a technológiát alkalmazzák; a naphőerőművek a Nap hőjét forró gőznek vagy folyadéknak adják át, ezzel turbinák segítségével nyernek áramot.

Nappanelek a Réunion szigetcsoporthoz tartozó Mafate szigeten (Marla)

Összehasonlítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Napelemek és napraforgók (Németország) „Csak természetesen!”

Azt az energiát, amely az összes Földön található és kitermelhető kőolajkészletekben rejlik, a Nap 1,5 nap alatt sugározza a Földre. [1] Az emberiség jelenlegi, évi energiafogyasztását a Nap egy órányi energiakibocsátása teljes egészében fedezné.

Ugyanakkor a napelemek elterjedését nagymértékben hátráltató tényező az áruk, aminek két fő oka az előállításuk energia- és csúcstechnológia-igényessége, a kis széria, továbbá, hogy csak napsütésben képesek hatékonyan működni. Az utóbbi években azonban (főként a kínai napelemgyártás felfutása, és a tömegtermelés megjelenése miatt) folyamatosan csökken a napelemek ára. Korábbi szakmai előrejelzések 2010 utánra várták, hogy a napelemmel termelt áram ára megegyezzen a fosszilis energiatermelés költségével, [2] de ez eddig még nem következett be.

Másrészt a Föld jelenlegi legnagyobb – fotovillamos – naperőműve 100 MW-os, ami kevesebb mint tizede a Paksi atomerőmű egyetlen reaktorblokkja teljesítményének, és ezt a teljesítményt is csak ideális időben produkálja.[forrás?]

A napelemek fajtái[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg:

  • Egykristályos szilícium (Si) napelemek: drágák, de hatékonyak. A legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25% (az elméleti határ 33,7% az egy p-n átmenettel rendelkező napelemek esetében)
  • Polikristályos Si napelemek: Némileg olcsóbbak de kevésbé hatékonyak. Hatásfokuk 15% körül van.
  • Gallium Arzenid vegyület alapú napelemek: A napelemek Rolls Royce-a és rendkívül drága. Akár 8 db réteget (p-n átmenetet) építenek egymásra így a hatásfok elérheti a 44%-ot koncentrált napfényben. Főleg műholdakon használják.
  • Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak de hatásfokuk csak 5-8%. Kevesebb szilícium kell a gyártáshoz, mint az egykristályos esetében mert az aktív réteg csak 1 µm vastag.
  • Egyéb vegyület félvezető alapú napelemek: A hatásfokuk kevesebb, mint 15%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-gallium-szelenid napelemek. Előállításukhoz kevés félvezető alapanyag szükséges mert az aktív réteg csak 1-2µm vastag.
  • Szerves festék alapú napelemek: Elektrokémia elven működnek, a fényelnyelő anyag egy szerves festék. A hatásfokuk csak 2-4% azonban a gyártása rendkívül olcsóvá válhat a jövőben.
  • Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%

A hatásfok növelésére van lehetőség azonban ez bonyolultabb technológiát igényel, ami drágább előállítást von maga után. Az elméleti hatásfok limit (33,7%) átléphető ha több vékonyréteg napelemet (p-n átmenetet) építenek egymásra, melyek lépésenként egyre rövidebb fényhullámhosszra érzékenyek. Ezen felül a hatásfok tovább növelhető ha nagyobb fénykoncentrációval (500X) üzemelnek, amit lencsék[3] vagy tükrök alkalmazásával érnek el. Alapvetően elmondható, hogy fejlesztések manapság általában nem a nagyobb hatásfok, hanem a hatásfok x élettartam/gyártási költség irányában folynak, hogy a megtérülési idő minél rövidebb legyen. Ezt a célt a vékonyréteg napelemek hivatottak elérni mert ugyan a hatásfokuk kevesebb, azonban az előállításukhoz 100-szor kevesebb drága félvezető alapanyag szükséges, ami sokkal olcsóbbá teheti őket a hagyományos szilícium társaikhoz képest.

Kinyerhető teljesítmény[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kyocera székház. A PV cellák az épület oldalán napfényből generálnak áramot
Fotovillamos 'fa' Stájerország, Ausztria

A napelemekből kinyerhető teljesítmény függ a fény beesési szögétől, a megvilágítás intenzitásától, és a napelemre csatolt terheléstől. A fény intenzitását kevéssé tudjuk befolyásolni, míg a másik két paraméter elméletileg kézben tartható.

A napelem beépítése szerint lehet fix vagy napkövető jellegű.

A napkövető rendszerekkel a magyarországi éghajlati viszonyok mellett 30-40%-kal nagyobb teljesítmény érhető el.

A fixen beépített napelem megfelelő tájolás esetén (déli irány, Magyarországon 35 fokos dőlésszög) reggeltől estig tud áramot termelni tiszta idő esetén. Természetesen reggel és este már csak kisebb teljesítményre képes a napelem, mivel fix rögzítés esetén a napsugárzás kis beesési szögben kisebb áramerősséget tud megtermelni. Ahhoz, hogy egész nap az időjárás által megengedett maximális teljesítménnyel tudjuk gyűjteni a napenergiát, a nappal folyamán vízszintesen forgatnunk, függőlegesen bólintanunk kell a napelemet úgy, hogy a napsugár beesési szöge a lehető legkisebb mértékben térjen el a merőlegestől. Ehhez plusz elektronikát és mechanikus elemeket kell felhasználnunk, és a telepítési hely megválasztására is nagyobb gondot kell fordítani, továbbá karbantartási költségekre is számítani kell. Ellenben a fix beépítésnél elegendő a (tervezéskor már jól betájolt) ház tetőszerkezetét felhasználnunk a napelemek tartójának.

Az optimális besugárzásra beforgatott napelem-modul sem fog mindig teljesítményt szolgáltatni, mivel a besugárzás mértéke több okból is változhat, lecsökkenhet (például lemegy a Nap vagy eltakarják a felhők stb.). Mivel az elektromos fogyasztókat folyamatosan szeretnénk üzemeltetni, viszont a napelem nem tud folyamatosan energiát biztosítani, valamilyen energiatároló puffert kell alkalmaznunk a rendszerben, amivel áthidalhatjuk az alacsonyabb napfény-intenzitású időszakokat. (puffer=átmeneti energiatároló). Az energia hasznosításának másik útja, amikor invertert alkalmazunk. Az inverter a napelem egyenáramát váltakozó árammá alakítja át, és visszatáplálja a hálózatba. A visszatáplálás természetesen csak a hálózat periódusával szinkronizálva lehetséges és az elektromos művek engedélye is szükséges hozzá.

A teljesítmény növelésének egyik módja sok apró lencse alkalmazása, amelyek a napfényt, a beesési szögtől függetlenül, a napelemekre fókuszálják. A lencsés használat további előnye, hogy magát a fotovillamos panelt az optikai fókuszálás miatt sokkal kisebbre lehet venni, így földi körülmények között is lehetőség nyílik kiváló hatásfokú, de egyébként drága, az űrtechnológiában alkalmazott fotovillamos egységek gazdaságos használatára.


Hatásfok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A napelemek alapanyaguktól és technológiájuktól függően különböző hatásfokkal képesek villamos energiát termelni. A hatásfok (\eta , "eta") százalékosan fejezi ki, hogy a napelem mennyi napenergiát alakít át elektromos energiává. A hatásfokot a következő képlet szerint számítják:

\eta = \frac{P_{m}}{E \times A_c},

ahol

  • Pm a fényelem által leadott maximális teljesítmény,
  • E a napsugárzás felületi teljesítménysűrűsége (W/m²),
  • Ac a napelem felülete (m²)

A hatásfokot a környezeti és a konstrukcióval összefüggő tényezők egyaránt befolyásolják. A környezeti tényezők közül a hőmérséklet a legfontosabb, de ide lehet sorolni a cella felületének tisztaságát, a megvilágítás erősségét is. A hatásfokot elsősorban az korlátozza hogy a nap sugárzása széles hullámhosszspektrummal rendelkezik (300nm-2500nm) azonban a napelemet egy hullámhosszra lehet könnyen optimalizálni. A több hullámhosszra történő optimalizálást több félvezető p-n átmenet egymásra építésével valósítják meg ami jelentősen bonyolultabb napelem szerkezetet eredményez.

A szilícium napelem feszültsége félvezető zárórétegben a töltéshordozók felszabadulása és szétválasztása révén keletkezik. A keletkező forrásfeszültség egy minimális fényerősségnél nagyobb megvilágításnál állandó. A forrásfeszültség jellemző az adott napelem típusra, ez szilícium estén 0.68V körül van. A rövidzárási áram a fényerősséggel arányos. A szilícium napelemek hatásfoka 11-18%. Max sugárzásnál kb. 10 mW/cm2. A maximális teljesítményt egy bizonyos elektromos terhelés ( fogyasztó teljesítmény) esetén adja le ezt nevezzük maximális teljesítményhez tartozó munkapontnak.

A szilícium napelemek hatásfoka jelenleg (2013) 11-18% közötti, a legkorszerűbb – egykristályos – napelemek 25%-os hatásfoka már csúcsnak számít. Az áttörést itt is a nanotechnológiától remélik. [4]

Az Egyesült Államokbeli Delaware Egyetem (UD) kutatóinak sikerült feltornászniuk a szilícium napcellák hatékonyságát 42,8%-ra hagyományos földi napfényben. Az új rekord rendkívül fontos mérföldkő a DARPA (Fejlett Védelmi Projektek Ügynöksége) által kitűzött 50%-os hatékonyság felé vezető úton.A hadsereg fejlesztő cége VHESC (Very High Efficiency Solar Cell, nagyon nagy hatékonyságú napcella) programjával technikailag és pénzügyileg is megvalósítható hordozható napcellás akkutöltőket szeretne kifejleszteni. Ezt a hatásfokot úgy érték el hogy egy prizmával a napfényt hullámhossz szerint több részre választották szét és több az adott hullámhosszra optimalizált p-n átmenetre irányították. [5]

Alkalmazási példák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Napelemes kerti lámpa
Napelem a mindennapi használatban

A napelemek alkalmazását meghatározó legfőbb szempont, hogy bár bevezetésük magas egyszeri kiadást igényel, viszont üzemeltetési költségük igen alacsony.

Fotovoltaikus erőművek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Serpa fotovillamos naperőmű Portugáliában 2007-ben kezdett működni. A SunEdison 2010-ben bejelentette, hogy még abban az évben felépít egy fotovoltaikus erőművet Északnyugat-Olaszországban, Rovigo mellett. [6]

Egyéb alkalmazások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A napelemek alkalmazása megjelent az ún. intelligens ruházatok egyes típusain is, ahol célja a ruházatba beépített elektromos működtetésű készülékek (a szervezet működését figyelő érzékelők, GPS, iPod stb.) áramellátása.[7][8][9]


Korai napelemes számológép

Hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Napelem témájú médiaállományokat.