Napelemek

Energialexikon

 A napelemek olyan szilárdtest eszközök, amelyek a fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítják. Az energiaátalakítás alapja, hogy a fény elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít.

A fotovoltaikus elemek abban különböznek a napelemektől, hogy árnyékban is képesek áramot termelni, nem csak napsütésben.

A napelemekre általában 25 év a garancia, de ez sokszor 40 év is lehet. A napenergiahasznosításában hosszabb távon számottevő növekedés várható.

Azt az energiát, amely az összes Földön található és kitermelhető kőolajkészletekben rejlik a Nap 1,5 nap alatt sugározza a Földre. 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 napon képesek működni. Az utóbbi években azonban (főként a kínai napelemgyártás felfutása, és a tömegtermelés megjelenése miatt) folyamatosan csökken a napelemek ára, és szakmai előrejelzések szerint 2010 után várható, hogy a napelemmel termelt áram ára megegyezzen a fosszilis energiatermelés költségével. Másrészt a Föld jelenlegi legnagyobb naperőműve 40 MW-os, ami kevesebb mint tizede a Paksi atomerőmű egyetlen reaktorblokkja teljesítményének, és ezt a teljesítményt is csak ideális időben produkálja.

A napelemek fajtái 

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 31%.
• Polikristályos Si napelemek
• Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak
• Fém – félvezető – fémszerkezetek: festékanyagokkal érzékenyített félvezető-oxidok. A hatásfokuk kevesebb, mint 10%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid napelemek
• Adalékolt amorf félvezető napelemek
• Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%.

A napsugárzás koncentrálásával (többfotonos technológia; vagyis apró lencsék alkalmazása) a hatásfok 66%-ra növelhető.

Kinyerhető teljesítmény 

Nappanelek a Réunion szigetcsoporthoz tartozó Mafate szigeten (Marla)

Kyocera székház. A PV cellák az épület oldalán napfényből generálnak áramot.

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

A napelem beépítése szerint lehet fix vagy napkövető jellegű.

A fixen beépített napelem maximum 6 órán keresztül képes napfényt elnyelni. 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 kellene felhasználnunk, és a telepítési hely megválasztására is nagyobb gondot kell fordítani. 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 a fogyasztóinkat 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 a hálózat periódusával szinkronizálva lehetséges.

A teljesítmény növelésének egyik módja sok apró lencse alkalmazása, amelyek a napfényt, a beesési szögtől függetlenül, a napelemekre fókuszálják.

Hatásfok

Fotovoltaikus 'fa'Stájerország, Ausztria

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

,

ahol

• P_m a fényelem által leadott maximális teljesítmény,
• E a napsugárzás energiája (W/m²),
• A_c 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 szilícium-fotoelem feszültsége félvezető zárórétegben a töltéshordozók felszabadulása és szétválasztása révén keletkezik. A keletkező forrásfeszültség a megvilágítás erősségével nő. A forrásfeszültség nagy megvilágításkor sem nagyobb 0, 6V-nál. A rövidzárási áram a fényerősséggel arányos. A szilícium fotoelemek hatásfoka 10%. Max sugárzásnál kb. 10mW/cm2

A napelemek hatásfoka jelenleg (2007 nyara) 6-14% közötti, a legkorszerűbb – polikristályos – napelemek 20%-os hatásfoka már csúcsnak számít. Az áttörést itt is a nanotechnológiától remélik. 

Alkalmazási példák 

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

Lipcse (Brandenburg, Németország) közelében várhatóan 2009-re készül el a 40 megawattosra tervezett naperőmű, amely 20 ezer háztartást lát majd el energiával, és évi 50 ezer tonna szén-dioxid kibocsátást szüntet meg. Ez lesz Európa legnagyobb naperőműve. (A világ legnagyobbja Kínában épül amerikai közreműködéssel).

Világszerte hatalmas naperőművek épülnek. A Spanyolországban üzemelő (11 MW-os)PS10 naperőművet a tervek szerint a Tres naperőmű , a Monte Alto naperőmű és azAndasol 1 naperőművek fogják követni. Ausztráliában a King's Canyon naperőmű, aWhite Cliffs naperőmű, Németországban a Waldpolenz naperőmű, az Amerikai Egyesült Államokban a Nellis naperőmű, a Nevada naperőmű, a Mojave-sivatag naperőműje és a SEGS naperőmű, Algériában a Hassi R'mel naperőmű, Portugáliában aSerpa naperőmű olyan erőfeszítések, amelyek által az emberiség a szó szoros értelmében fellélegezhet, és idővel megszabadulhat a jelentős környezetterheléssel dolgozó szén-, olaj- és gázüzemű erőművektől a mában és más hagyományos, de veszélyes hulladékot termelő energiaforrásoktól a jövőben - erdők és komposztálható növényi részek elégetése nélkül.

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.

Forrás: wikipedia.hu