A napelem működése érthetően

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.

A napelem működése – a 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 működését 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 működését a fentieken kívül más tényezők is befolyásolják. 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 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.