Bár a nepelemek már egyre jobban kezdenek elterjedni hazánkban is, a napelemek működése még jelenleg is homályos a legtöbb ember számára. Ebben szeretnénk segíteni cikkünkkel.
Napelem működési elve röviden
-
Napfény eléri a napelem felületét, amely szilíciumból készült félvezető rétegeket tartalmaz.
-
A fotonok (fényrészecskék) energiát adnak az anyagban lévő elektronoknak.
-
Ez az energia elektronokat szabadít fel, amelyek elindulnak a panelen belül.
-
Az így létrejött mozgó elektronok elektromos áramot hoznak létre, amit vezetékek segítségével hasznosíthatunk (például háztartási eszközök működtetésére).
A napelem működése – tudományos alapok
Amint tudjuk – hiszen a neve is mutatja – a napelemek a napenergiát alakítják át árammá. De hogyan lesz a napsugarakból villamosenergia?
Egy napelem tábla cellákból épül fel, mely a kialakítástól függően általában 60 vagy 120 db lehet. Minden egyes cella félvezető anyagot tartalmaz. Ezek a félvezetők a legtöbbször szilíciumból készülnek, ugyanis az elméletileg korlátlan ideig változatlan marad.
A legelterjedtebb, P-típusú (pozitív) cellákat az egy elektronnal kevesebbel rendelkező bórral szennyezik, így az pozitív töltésűvé válik.
A jelenleg még kevésbé használt, de már Magyarországon is elérhető N-típusú (negatív) cellákbólkészült napelemek esetében a szilíciumot az eggyel több elektronnal rendelkező foszforral szennyezik, így az negatív töltésűvé válik.
Annak, hogy miért a P-típusú cellák terjedtek el, egyszerűen csak az az oka, hogy eredetileg az űrkutatás számára fejlesztették ki a napelemeket, és a világűrben lévő környezeti hatásoknak a P-típusú napelem a megfelelőbb.
Azonban azt érdemes tudni, hogy a földi körülmények között az N-típusú cellák stabilabbak és jobban teljesítenek, valamint általában a garancia idejük is magasabb.
A napelem működése a ráeső napfény mennyiségén alapul, mely energiával rendelkező részecskékből, fotonokból áll. Nagyon leegyszerűsítve, amikor a napelemet süti a nap, akkor a fotonok átadják energiájukat a cellákban lévő elektronoknak, amelyek ezáltal szabaddá válnak, és a negatív oldal felé vándorolnak.
Az elektronok helyén “üres” területek keletkeznek, amelyek viszont a pozitív irányba mozdulnak el. Ebből a negatív és pozitív irányba történő áramlásból jön létre az elektromos tér és a feszültség.
A napelem rendszerek felépítését tekintve azt kell tudnunk, hogy maguk a cellák és a napelem táblák is sorba vannak kötve. Azt érdemes tudni, hogy emiatt mindig a leggyengébben teljesítő napelem határozza meg a teljes rendszer teljesítményét.
Ez főleg akkor okoz problémát, ha az egyik napelem akár csak részlegesen is árnyékoltabb. Ehhez elegendő, ha egy antenna vagy egy kémény árnyékot vet a napelemre. Ez jelentős teljesítménycsökkenéssel járhat, emiatt javasolt cellasor optimalizált napelemeket telepíteni.
A napelem működésE – befolyásoló tényezők
A napelem működése változik a nap folyamán. A megtermelt áram egy részét felhasználjuk, a felesleges energia pedig az áramszolgáltató hálózatába kerül.
Mivel éjszaka nem éri fény, így ilyenkor nem képes áramot termelni, ezért a villamosenergia szolgáltatótól vételezzük vissza a napközben megtermelt energiát. Mivel rendszerint az éjszaka folyamán kevés az áramfogyasztás, ezért ennek mértéke a legtöbb esetben elenyésző.
A napfelkelte utáni órákban a napelemek még alacsonyabb teljesítménnyel működnek.
A déli órákban a legjelentősebb a napelemek termelése. Ilyenkor a felesleges áram bekerül az áramszolgáltató hálózatába.
Délután, ahogyan csökken a napfény mennyisége, úgy esik a megtermelt energia mennyisége is.
A naplementét követően jelentősebb az áramfogyasztásunk, ilyenkor a nappal megtermelt áramot vételezzük vissza a hálózatból.
A napelemek működése a fentieken kívül más tényezőkön is múlik. Azt már említettük, hogy az árnyék jelentős teljesítménycsökkenést okozhat. Mivel a napelemekre eső napfénynek kiemelkedő jelentősége van, ezért az épület (a tető) tájolása és dőlésszöge is befolyásolja az energiatermelést.
Egy másik fontos elem a napelemek működése szempontjából a környezeti hőmérséklet. A napsugárzás hatására a napelemek hőmérséklete jelentősen megemelkedik, akár a 60-80°C-ot is elérheti. A napelemek adatlapján szereplő hőmérsékleti együttható azt mutatja meg, hogy 1°C-os hőmérséklet-emelkedés hány százalékos teljesítménycsökkenést okoz a 25°C-os teljesítményhez viszonyítva.
Ez az érték – típustól függően – 0,35-0,55%/°C is lehet, amely egy 60°C-os, 0,35%/°C hő tényezőjű napelem esetében 35×0,35=12,25%-os, de egy 80°C-os, 0,55%/°C hő tényezőjű napelem esetében már 55×0,55=30,25%-os teljesítménycsökkenést jelenthet. Azonban fontos megjegyezni, hogy a napelemeket semmilyen formában nem szabad hűteni.
Továbbá, bár kevésbé érzékelhető, de a magas páratartalom és a légköri szennyezettség is rontja a napelemek teljesítményét.
A teljesítménycsökkenéssel és minden más tényezővel is számolnak szakértőink, amikor a napelem rendszer megtervezésére kerül sor.
A napelemekre különböző termékgaranciát vállalnak. Manapság már nem ritka a 25-30 éves garancia vállalása a gyártók részéről.
Érdemes tudni, hogy az évek elteltével a napelemek teljesítménye folyamatosan romlik, melyre a gyártók pontos százalékokban meghatározott hozamgaranciát vállalnak.
Amint látja, a napelemek működését számos tényező befolyásolja.
A napelem működése a következőképpen néz ki: a Napelem segítségével a Napból érkező fényt alakítjuk át villamos energiává háztartási készülékeink számára. Egy napelemes rendszer egyik legfontosabb része maga a napelem, amelyben a félvezető (leggyakrabban kristályos szilícium) villamos energiát képes biztosítani a fény gerjesztő hatásának köszönhetően. A ma legelterjedtebben használatos csoportosítás szerint beszélhetünk kristályos napelemről és vékonyréteg napelemekről.
Napelem cellák működése
A napelem működési elve a napelem cellák működésének megértésével kell kezdődjön. A kristályos napelemekben nagy szilíciumkristályok (ingot) vannak vékony szeletekre vágva. Ezeket hívják celláknak (wafernek). Régebben kétféle méret létezett, ezek közül a kisebbek 60, a nagyobbak 72 cellás panelek voltak. Az utóbbi években elterjedt a félcellás, azaz half-cut kivitel, ahol a cellák száma megduplázódik. Egy 60 cellás napelemből így lesz 120 félcellás napelem. A half-cut technológia értékes százalékokat tud pluszban hozzáadni a napelem teljestményéhez. Következő lépésként a gyártási technológiában történt változás így a régebbi paneleket felváltották az 54 illetve 66 cellás napelemek, amikből már csak félcellásak léteznek, tehát 96, illetve 132 félcelláról beszélhetünk.
Ezek a cellák vannak villamosan összekötve egy alufólia-szerű vezetővel, amit busbarnak, vagy magyarul vezetősínnek nevezünk. Mindez két réteg EVA fólia közé van légmentesen laminálva, majd egy alaplemezre felragasztva, a tetején egy edzett üveggel és rendszerint egy alumíniumkerettel bekeretezve. Az alumínium keret színe lehet ezüst színű vagy fekete.
Léteznek olyan napelemek is, amelyek a panelnek mind az előlapja, mint a hátlapja edzett üvegből készül. Ezeknek az üveg-üveg napelemeknek fontos tulajdonsága a bifacialitás, azaz a napelem hátoldala felől elnyelt visszavert fény hasznosításának képessége. A bifaciális napelemek hatásfoka szintén a legmagasabbak közé tartozik.
A kristályos napelemek közül létezik monokristályos napelem és polykristályos napelem, a felszeletelt kristály szerkezetétől függően.
A monokristályos napelemek hatásfoka a legjobb (mono PERC 17-19%, félcellás mono PERC 18-20%, shingled mono PERC 19-21.5%, mono PERC MBB 20-21.8%, N-type TOPcon 21-22.5%, N-type HJT 21-23%, N-type Back Contact 21-24%), a polykristályos PERC napelemeké 16-17%, míg a vékonyréteg napelemek hatásfoka 7-18% között mozog. Léteznek ennél jóval jobb hatásfokkal rendelkező napelemek, de mi a jelenlegi kereskedelmi forgalomban előforduló típusokról beszélünk.
Vékony-réteg napelem működése
A legolcsóbb és legújabb technológia a vékonyréteg napelem. Ezeknél valamilyen hordozóra (leggyakrabban üvegre, vagy vékony acéllemezre) viszik fel a félvezetőt néhány mikronos rétegben, ezért hívják vékony-réteg technológiának. Az elkészült félvezető rétegre aztán mehet valamilyen fedés, ami legtöbbször üveg, vagy valamilyen műanyag. Ilyen módon lehet hajlékony, vagy átlátszó napelemeket is csinálni, ami nagyban növeli a felhasználás lehetőségeit. A vékony-réteg napelemek közül jelenleg az amorf-szilícium (a-Si) félvezetős a legelterjedtebb (olcsó a kadmium-tellurid (Cd-Te) is, de tudni kell, hogy a kadmium erősen mérgező, élettartama lejártával környezetszennyező hulladékká válik). A vékony-réteg napelemek fajlagosan a legolcsóbbak, de nagyobb felületre is van szükség belőlük, a gyengébb hatásfokuk miatt (7-18%). Azonban még korai lenne leírni ezeket a napelemeket, mert rengeteg előnyük van a kristályos napelemekkel összehasonlítva! Kevésbé érzékenyek a melegedésre, szélesebb fényspektrumot tudnak hasznosítani, már szórt fénynél is működnek, szép homogén a felületük, ami fontos lehet esztétikai szempontból, valamint lehet hajlékony vagy átlátszó kivitelben is készíteni, ami építészeti, vagy egyéb praktikus szempontokból sokszor érdekes lehet. Ráadásul itt van a küszöbön a CIS, vagy CIGS napelemek térhódítása. Ezek a modulok szintén vékonyréteg technológiával készülnek (réz, indium, gallium, szelén félvezető anyagokkal), annak minden előnyével de már a polykristályos napelemek hatásfokát közelítve.
Mindenesetre a fejlesztés folyik, vannak már szerves napelemek, műanyag napelemek és még sok érdekes dolog, de a piacon jelenleg a fent említett fajtákkal találkozhatunk.
Elérkeztünk a napelem rendszer másik legfontosabb részéhez, az inverterhez. A napelemből érkező elektronokat vezetéken egy elektronikus AC/DC átalakítóhoz, az inverterhez vezetjük. A napelem működése mellett a napelemrendszer működésének megértéséhez az inverterekkel is foglalkoznunik kell.
Az inverter működése
Az inverter feladata, hogy a napelemből érkező DC egyenáramot olyan AC váltóárammá alakítsa, amit a háztartásban használunk, illetve amit be tudunk táplálni az elektromos hálózatba. Olyan felhasználó esetén, ahol van vezetékes áram, nem feltétlenül szükséges a napból érkező energiát akkumulátorban tárolni, mert lehetőség van az áram közüzemi hálózatba történő visszatáplálására. A visszatáplált energia mennyiségét mérik és időszakonként elszámolnak vele. 2024 előtt Magyarországon éves periódusú volt az elszámolás. Ez volt az ún. éves szaldó elszámolás. Amennyiben napelem rendszerünk teljesítménye nem haladja meg az 50kVA-t, úgy az áramszolgáltató ugyanazon az áron vette tőlünk vissza az elektromos áramot, mint amennyiért ő adta nekünk, ha nem léptük túl saját fogyasztásunkat s nekünk csak a különbözetet kellett megfizetnünk. Ez a gyakorlatban azt jelentette, hogy napközben, amikor jellemzően nem vagyunk otthon, a napelem rendszer betáplált a hálózatba, este pedig mikor otthon vagyunk és a legtöbb energiát használjuk, de már nem süt a nap, egyszerűen elfogyasztottuk, a napközben napelem rendszerünk által megtermelt áramot, amit addig úgymond a közüzemi hálózatban tároltunk. Elszámoláskor mi csak azt a különbözetet fizettük, amennyivel többet fogyasztottunk az általunk termelt energiamennyiségnél. Ez az elszámolási rendszer azonban 2024-től jelentősen megváltozott, a helyét átvette a bruttó elszámolási rendszer. Ebben a rendszerben is visszatáplálhatunk a hálózatba, de érdemesebb minél több napelemből jövő energiát felhasználni. Erre azért van szükség, mert az áramszolgáltató alacsonyabb áron veszi át tőlünk a megtermelt villamos energiát, mint amennyit nekünk kell fizetni érte.
Tehát az új cél az önfogyasztás maximalizálása és a hálózatra történő kitáplálás minimalizálása lett. Ennek hatására kezdenek hazánkban is érdeklődni a felhasználók a smart inverterek és az okos otthon (smart home) vezérlő technológiák iránt (LOXONE, XONOFF, Shelly, stb.), ahol a napenergia elhasználását központi intelligens rendszerek igyekeznek napközben hasznosítani, különböző fogyasztók (hőszivattyú, klíma, elektromos autótöltő, vízmelegítő tartály, stb.) ki-be kapcsolásával és vezérlésével.
