Napelem

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Napelemcella (egykristályos)

A napelem vagy fotovillamos elem, amit az idegenes photo-voltaikus kifejezésből a magyar irodalom olykor PV elemnek is nevez, 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 napelemek eltérnek a ma létező nagy teljesítményű naperőművektől. Ezek jellemzően más technológiát alkalmaznak; a naphőerőművek esetén a Nap sugárzó hőenergiáját folyadéknak adja át sugárzó hőátadással ami túlhevítéssel gőzturbina meghajtásos villamos generátorral szolgáltat áramot.

Nappanelek a Réunion szigetcsoporthoz tartozó Mafate szigeten (Marla)

Története[szerkesztés]

A fotovoltaikus hatást Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus demonstrálta először sikeresen 1839-ben, 19 éves korában. Ez évben építette meg a világ első fotovoltaikus elemét apja laboratóriumában.

Willoughby Smith brit elektromérnök az 1860-as években kezdett kísérletezni a fotovoltaikus technológiával egy véletlennek köszönhetően. Ezekben az években tenger alatti kábelekkel végzett kísérleteket, melyek közben felfedezte, hogy az ezekhez használt szelén éjszaka máshogyan viselkedik, mint nappal.[1] 1873-ban a Nature tudományos folyóiratban jelentette meg "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current" című tanulmányát, amely a szelén fotovoltaikus tulajdonságát írja le.

Charles Fritts amerikai feltaláló 1883-ban építette meg az első modern értelemben vett napelemet: félvezető szelént vékony, félig átlátszó aranyfilmmel vont be, így képes volt áramot előállítani. Fritts napelemének hatékonysága nagyjából 1% körül volt.[2]

Heinrich Hertz 1887-ben fedezte fel a fényelektromos (fotovoltaikus) jelenséget, munkája alapján pedig egymástól függetlenül 1888-ban Alexandr Sztoletov orosz és Wilhelm Hallwachs német fizikusok megállapították, hogy az ultraibolya sugarak negatív töltésű fémlapból negatív töltést szabadítanak ki és megépítették az első fotovoltaikus napelemeket.[3][4]

A fotoelektromos hatást Albert Einstein magyarázta meg 1905-ben, amiért megkapta az 1921. év fizikai Nobel-díját.[5]

Az első modern félvezető napelem szabadalmát a tranzisztorok kutatásával foglalkozó Russel Ohl jegyezte be 1946-ban.[6][7] Az első hatékony, széles körben alkalmazható, szilícium félvezetőn alapuló napelemet 1954. április 25-én mutatták be a Bell Laboratories szakemberei; kifejlesztői Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller és Gerald Pearson amerikai tudósok voltak.[8]

A nyilvánosság csak később figyelt fel a napelemekre, amikor az Amerikai Egyesült Államok Haditengerészete felhasználta azokat a Vanguard-1 műhold megépítésekor 1958-ban.

A következő két évtizedben fokozatos fejlesztések történtek, éppen a haladás miatt azonban a napelemek ára magasan maradt. Azokat ugyanis elsősorban az űrtechnológiában történő felhasználás irányába fejlesztették, a lehető legnagyobb hatásfokú megoldást keresve, akár nagy költségek árán is. Így a kevésbé hatékony, egyben kevésbé költséges megoldásokkal ebben az időben nem foglalkoztak a kutatók. Az árakat elsősorban a félvezető ipar határozta meg, s a költségcsökkentést végül azt tette lehetővé, hogy az 1960-as években átálltak az integrált áramkörök használatára. 1971-re egy watt napelemmel történő előállításának költsége 100 dollárra csökkent.[9]

Elliot Berman 1969-ben alapította meg a Solar Power Corporationt, amely 30 évre előre tekintve azzal számolt, hogy az elektromos energia az ezredforduló idejére nagymértékben drágul majd, ami vonzóbbá teheti az alternatív energiaforrások használatát. Berman kutatása ekkor azt mutatta, hogy ha képesek volnának a wattonkénti előállítási árat 20 dollárra leszorítani, azzal már számottevő kereslet támadna a technológia iránt. Új fejlesztésű, olcsóbb terméküket 1973-ban mutatták be, használatukról pedig sikerrel győzték meg az Egyesült Államok Parti Őrsége számára navigációs bójákat gyártó Tideland Signal vállalatot.[10]

A földi alkalmazásokra előállított napelemek fejlesztése akkor indult igazán be, amikor az amerikai Nemzeti Tudományos Alapítvány létrehozta fejlett napenergiás alkalmazások kutatásával és fejlesztésével foglalkozó részlegét, amely 1969 és 1977 között működött.[11]

Az 1973-as olajválságot követően több olajipari vállalat fektetett napenergiával foglalkozó égek felvásárlásába. Az 1970-es és 1980-as években az Exxon, az ARCO, a Shell, az Amoco (amelyet később a BP vásárolt fel) és a Mobil saját napenergia-részlegeket üzemeltettek és ezekben az években ők voltak a legnagyobb termelők. A fejlesztésekben részt vett a technológiai szektor több vállalata is, így például a General Electric, a Motorola és az IBM.[12]

Összehasonlítás[szerkesztés]

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. [13] 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, [14] de ez eddig még nemcsak nem következett be, hanem a 2014-ben bekövetkezett nagymértékű nyersolajár-csökkenés az áregyenérték elérését, legalábbis ideiglenesen, jobban eltávolította.

A napelemek fajtái[szerkesztés]

Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg:

  • Kristályos napelemek: a mono- és polikristályos technológiával készülő napelemek napjainkban a legelterjedtebb napelem-technológiának számítanak. A szilícium félvezetőn alapuló elemeket 1954-ben mutatták be.[8][15]
    • Monokristályos szilícium napelemek: a szilíciumot 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). Legnagyobb teljesítményét merőlegesen beeső napfénynél képes leadni, így gyakran használják ún. napkövető berendezések részeként.[16]
    • Polikristályos szilícium napelemek: Némileg olcsóbbak, ám kevésbé hatékonyak. Hatásfokuk 15% körül van. A gyengébb (reggeli, esti, szórt) fényt is viszonylag jó hatásfokkal képes hasznosítani.
  • Gallium-arzenid vegyületen alapú napelemek: Bár eddig főleg műholdakon használták, és egyetlen rétegben alkalmazva nem gazdaságosak, de akár 8 db réteget (p-n átmenetet) is építhetnek egymásra. Így a hatásfok eléri a 46%-ot is koncentrált napfényben: ilyen már alkalmazásban volt 2014. november végén.[17][18]
  • 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, a réz-indium-diszelenid (CIS) és a réz-indium-gallium-szelenid napelemek. Előállításukhoz kevés félvezető alapanyag szükséges, mert az aktív réteg csak 1-2 µm vastag.
  • Szerves festék alapú napelemek: Elektrokémia elven működnek, a fényelnyelő anyag egy szerves festék. A hatásfoka csak 2-4%, azonban a gyártása rendkívül olcsóvá válhat a jövőben.
  • Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%
  • Szerves-szervetlen perovszkitek alapján készült napelemek kísérleti teljesítménye elért 20%-ot, nagyon gyors fejlődéssel, alacsony gyártási költséget ígérve. Ezek egyes fejlesztők szerint már 2017-ben piacon lesznek.[19] Lásd a Hatásfok fejezet ábráját is, ahol a piros színű vonalak üres körökkel ábrázolják a fejlődést. (Az angol nyelvű Wikipédia grafikonja)

A hatásfok növelésére van lehetőség, ami bonyolultabb technológiát igényelhet; logikusan ez drágább lenne elhanyagolva a technológia ugrásszerű fejlődésének lehetőségét. Így az elméleti hatásfok limit (33,7%) átléphető, ha például több vékony napelem réteget (p-n átmenetet) építünk egymásra, melyek lépésenként egyre rövidebb fényhullámhosszra érzékenyek. A hatásfok tovább növelhető, ha nagyobb fénykoncentrációval (500X) üzemelünk optikai lencsék,[20] vagy tükrök alkalmazásával.

Manapság a kutatás és fejlesztés nem korlátozódik kizárólag nagyobb hatásfok elérésére, inkább a hatásfok x élettartam/gyártási költség irányába terjed azzal a céllal, hogy a megtérülési idő minél rövidebb legyen. Ez a cél vékony-filmek alapján készített elemek alkalmazásával érhető el: ezek egyedi hatásfoka alacsonyabb, de több réteg is összeépíthető és előállítási költségük sokszorta kisebb mint a hagyományos szilíciumra alapozott elemeké.

Kinyerhető teljesítmény[szerkesztés]

Kyocera székház. A PV cellák az épület oldalán napfényből generálnak áramot
Fotovillamos 'fa' Stájerország, Ausztria
Fotovoltaikus napelemekből álló naperőmű, Visonta

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. Ennek oka lehet, hogy lemegy a Nap, a felhős idő vagy hó, különféle tárgyak (fa vagy más növényzet, építmények stb.) árnyékolása, légköri szennyeződés és a pára, vagy akár a napelem táblák felmelegedése is.[21] 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]

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 (300 nm-2500 nm), azonban a napelemet egy hullámhosszra lehet könnyen optimalizálni. A több hullámhosszra történő optimalizálást több félvezető p-n átmenet egymásra építésével valósítják meg, ami 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 0,68 V 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.[22]

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.[23]

Kutatási fejlesztési fokon álló, maximális bejelentett napelem energia-átalakítási teljesítmény fejlődése 1976 óta. Az Egyesült Államok National Renewable Energy Laboratory (=nemzeti megújuló energia laboratóriuma) ábrája

Alkalmazási példák[szerkesztés]

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]

A Serpa fotovillamos naperőmű Portugáliában 2007-ben kezdett működni. A SunEdison 2010-ben bejelentette, hogy még abban az évben felépít egy fotovoltaikus erőművet Északkelet-Olaszországban, Rovigo mellett. [24]

Egyéb alkalmazások[szerkesztés]

A napelemek alkalmazása megjelent az ún. intelligens ruházatok egyes típusain is, ahol célja a ruházatba beépített elektromos működtetésű készülékek (pl. GPS, iPod stb.) áramellátása.[25][26][27]


Korai napelemes számológép

Hivatkozások[szerkesztés]

  1. A napenergiáról, II. rész – A napelem I. vu2063.server.g-art.hu (2010. feb. 9.) (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  2. Vita-Finzi, Claudio. The Sun: A User's Manual (angol nyelven). Springer Science & Business Media, 128. o (2008. december 15.). Hozzáférés ideje: 2015. szeptember 7. 
  3. Dr. Budó Ágoston – Dr. Mátrai Tibor – Hornyák László: KÍSÉRLETI FIZIKA III. KÖTET - (OPTIKA ÉS ATOMFIZIKA). Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  4. Gevorkian, Peter. Sustainable Energy System Engineering (angol id=978-0-07-147359-0 nyelven). McGraw Hill Professional [2007]. Hozzáférés ideje: 2015. szeptember 7. 
  5. The Nobel Prize in Physics 1921. Nobelprize.org (angolul) (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  6. Rékai János: Adalékok a tranzisztor előtörténetéhez. Fizikai Szemle (2010) (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  7. Light-sensitive electric device. www.google.com (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  8. ^ a b Tsokos, T. A.. Physics for the IB Diploma Full Colour (angol nyelven). Cambridge University Press. 978-0-521-13821-5 (2010. január 28.). Hozzáférés ideje: 2015. szeptember 7. 
  9. Perlin, John. From Space to Earth: The Story of Solar Electricity (angol nyelven). Earthscan. 0937948144 (1999). Hozzáférés ideje: 2015. szeptember 7. 
  10. Williams, Neville. Chasing the Sun: Solar Adventures Around the World (angol nyelven). New Society Publishers. 1550923129 (2005. január 1.). Hozzáférés ideje: 2015. szeptember 7. 
  11. The National Science Foundation: A Brief History. (angolul). National Science Foundation (1994. jún. 15.) (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  12. New Scientist (angol nyelven). Reed Business Information. ISSN 0262-4079 (1979. október 18.). Hozzáférés ideje: 2015. szeptember 7. 
  13. Jéki
  14. photoconsulting
  15. Armin Räuber: Napelem technológiák és jellemző�ik. fft.szie.hu (Hozzáférés: 2015. szept. 7.) (PDF)
  16. A kristályos szilícium napelem. www.napelemguru.hu (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  17. http://finance.yahoo.com/news/soitec-world-record-solar-ml
  18. http://finance.yahoo.com/news/soitec-world-record-solar-cell-190936450.html Új világrekordja a Soitec francia, és a Fraunhofer ISE német vállalkozásoknak és a francia CEA-leiti kutatóintézetből álló csoportnak.
  19. Audrey Boehly: La Perovskite, futur de l'énergie solaire, Sciences et Avenir No.813, nov. 2014, 48-50 o.
  20. Rawlemon’s Spherical Solar Energy-Generating Globes Can Even Harvest Energy from Moonlight Rawlemon’s Spherical Solar Energy-Generating Globes Can Even Harvest Energy from Moonlight angol nyelvű forrás
  21. Napelem műszaki szemmel. www.solarside.hu (Hozzáférés: 2015. szept. 7.)
  22. www.origo.hu: nanotechnológia
  23. www.sg.hu: közel az 50%-os hatásfok
  24. SunEdison
  25. Az intelligens ruházat (angol nyelven). [2011. augusztus 12-i dátummal az eredetiből archiválva].
  26. ScotteVest iPod jacket (angol nyelven)
  27. A korszerű intelligens ruházat (angol nyelven)

Források[szerkesztés]

További információk[szerkesztés]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Napelem témájú médiaállományokat.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]