A napelem működése: kisokos kezdőknek
Napelemekkel egyre több háztetőn, épületen, akár a földre telepítve is találkozhatunk. Az már köztudott, hogy a napelemmel áramot lehet termelni, ám az talán kevésbé világos, mégis hogyan. Az alábbiakban azt járjuk körül, miként lesz a nap energiájából olyan áram, amit a laptop, a mosógép vagy az elektromos autó is hasznosítani tud.
A napelem működésének alapja: a napenergia
A Nap energiáját nap mint nap érezhetjük a bőrünkön, láthatjuk a hatását a növényeken és mindenen, ami körülvesz bennünket. Nélküle nem lenne élet a Földön, ezt már általános iskolában megtanuljuk. A Nap sugárzásának csak kevés hányada jut el a Földre, az is szűrten érkezik, hiszen a bolygó légkörén keresztül jut be az óceánba, a földfelszínre. A napelem ezzel a sugárzással kezd dolgozni.
A fotovoltaikus rendszer felépítése
A fotovoltaikus rendszer más néven a napelemes rendszer. A fotovoltaika jelenségét egyébként egy francia fizikus fedezte fel 1839-ben, név szerint Alexandre Edmund Bequerel. Készített egy olyan úgynevezett elektrokémiai cellát, amiben ezüst-klorid volt. Rákapcsolta egy készülékre, ami mérte az elektromos áramot. Észrevette, hogy ha fény éri ezt a cellát, akkor erősebb lesz az áram. Ez az alapja a mai napelemek működésének.
A napelemek anyaga
A napelemek cellákból állnak, több mint száz is lehet belőlük, de általában nagyjából 60-72 darab van egy napelemben. A cellák anyaga szilícium, ami egy félvezető és nagyon tartós.
Cellák típusa
A cellák lehetnek P-típusúak, ezek pozitív töltésűek. Ezeknél bórral keverik a cellák anyagát, attól lesznek pozitívak.
Léteznek N-típusú cellák is, amik negatív töltésűek. Ezeknél a cellák anyagát képező szilíciumot foszforral vegyítik, így lesz negatív a töltése.
Ma még elterjedtebbek a P-típusú cellák, annak ellenére, hogy az N-típusúak sokkal jobb hatásfokúak.
Röviden a napelem működéséről
Amikor a napból érkező részecskék, úgynevezett fotonok, elérik a napelem felületét, akkor az általuk hordozott energia átadódik a napelem celláiban lévő elektronoknak. Ezek ettől az energiától mozgásba lendülnek. Az elektronok mozgása révén keletkezik elektromos feszültség.
A napelem fajtái
A napelemeknek különböző fajtái vannak aszerint, hogyan készülnek. Nézzük meg ezeket!
Monokristályos napelem
A monokristályos napelem, ahogy a neve előtagja is mutatja (mono) egy kristálytömbből készül. Ebből vágnak le úgynevezett szeleteket, amik aztán felületkezelést kapnak. Remek hatásfokú és teljesítményű a monokristályos napelem.
Polikristályos napelem
A polikristályos napelemek a monokristályosakkal ellentétben több kristálytömbből készülnek, de ugyanúgy szeletelik őket. Ennek az előállítása sokkal olcsóbb, valamint a dőlésszögre és a tájolásra (ezekről még lesz szó) kevésbé érzékeny, mint a monokristályos.
Vékonyfilm rétegű napelem
Ennél a típusnál egy gőzöléses eljárással kerül fel a szilíciumréteg a hordozófelületre. Bár a három típus közül ezt a legolcsóbb előállítani, hatásfokban meg se közelíti a másik két típust. Magyarország klímáján ráadásul kevésbé hatékony.
A napelem működése lépésről lépésre
Nézzük át röviden a napelem működési mechanizmusát.
Napfény aktiválja a paneleket
A napfényben lévő fotonok azok, amik életre keltik, mozgásra bírják a napelemben lévő elektronokat. Ekkor jön létre az elektromos tér.
Létrejön az egyenáram
Fontos tudni, hogy a napelem egyenáram előállítására képes, amit a fogyasztók még nem tudnak hasznosítani. Itt kerül a képbe az inverter, aminek az a dolga, hogy ezt az egyenáramot váltóárammá alakítsa.
Egyenáramból váltóáram
Miután az inverter, a napelemes rendszer lelke előállította a váltóáramot, az már akadálytalanul juthat el a házban lévő fogyasztókig a kábeleken keresztül.
A napelem működését befolyásoló tényezők
Ahhoz, hogy a napelem a lehető legjobb teljesítménnyel tudjon működik egy sor dologra oda kell figyelni. Ezek között vannak olyan környezeti hatások is, amiket természetesen nem tudunk befolyásolni, de mindent megtehetünk azért, hogy amikor alkalmasak a körülmények, akkor a lehető legtöbb áramot termeljük. Nézzük most ezeket a tényezőket!
Dőlésszög
A napelem 40 fokos dőlésszögbe állítva hozza a legjobb termelési számokat. Ha a tető dőlésszöge nem ekkora, akkor sincs baj, ugyanis a napelem nem közvetlenül kerül a tetőre. Először egy tartószerkezetet szerelnek fel. Már ennél be lehet lőni a megfelelő dőlésszöget. Ha a 40 fokot esetleg valamiért nem tudjuk megoldani, akkor lefelé 30-ig, fölfelé pedig 50 fokig még megfelelő teljesítményt nyújthat a napelem, bár nyilván nem olyat, mint 40-nél.
A tartószerkezet miatt lapostetőre is lehet szerelni napelemet, nem kell síkban lenniük. Vannak azonban olyan tetőtípusok, amikre nem lehet napelemet szerelni, ilyen például a nádtető.
Hőmérséklet
Bármilyen meglepő lehet is, nem a rekkenő hőség az, ami a leginkább kedvez a napelem működésének. a 25 fok körüli hőmérséklet a legideálisabb, természetesen felhőtlen, tiszta égbolttal kombinálva. Azt már most láthatjuk, hogy ez a két két tényező az év egészét nézve nem fordul elő együtt olyan túl sokszor. A nyaraink egyre forróbbak, a tavasz szinte eltűnőben van, hiszen a hideg időből sokszor átmenet nélkül váltunk át a melegre.
Tájolás
A napelem tájolásánál arra kell figyelni, hogy az lehetőleg déli legyen, az a legjobb. Ha ez nem valósítható meg, akkor még a délkeleti és a délnyugati is elfogadható.
Páratartalom
A tiszta, száraz idő kedvez a napelem működésének, a páratartalom nem.
Árnyékolás
A napelem tetőre helyezése előtt, már a helyszíni szemlén felmérik a szakemberek, hogy van-e a ház körül bármi olyan fa vagy épület, ami árnyékot vethet a napelemre. Lehetőség szerint olyan helyre kell szerelni a napelemeket, ahol zavartalanul érheti őket a napsütés.
Hogyan változik a hatékonyság a nap során?
Magától értetődő, hogy éjszaka nem termel áramot a napelem. Ekkor vagy a napközben napelem akkumulátorokban eltárolt áramot használhatjuk, vagy a hálózatból vételezhetünk. Reggel és délután sokkal kisebb hatásfokkal működnek a napelemek, mint a déli órákban. Áramtermelés szempontjából az a legjobb időszak.
A napelem működése télen
A napelemek termelése természetesen csökken télen, hiszen összességében kevesebb a napsütéses órák száma. Amikor azonban tiszta az idő, akkor télen is képes áramot termelni a napelem.A hó sem jelent problémát, hiszen a 40 fok körüli dőlésszög miatt a hó lecsúszik a napelem sima felületéről. Ettől függetlenül előfordulhat, hogy tisztítani kell a napelemeket (lásd napelem tisztításról szóló cikkünket), ezt érdemes inkább szakemberekre bízni.
A napelem működése áramszünet esetén
A napelemes rendszerek közül a hibrid és a szigetüzemű rendszer képes termelni áramszünet esetén is. Utóbbi ugyebár egyáltalán nem kapcsolódik a hálózathoz, tehát ott teljes mértékben a napelem akkumulátorok mennyiségén és kapacitásán múlik, mennyi áramot lehet elraktározni.
A hibrid rendszerekbe is építhető olyan inverter, ami áramszünet esetén is képes működni. Egyedül a hálózatba visszatáplálós rendszer az, ami ki van téve az áramszünetnek, az ilyen típusú rendszer biztonsági okokból leáll áramszünet idején.