Az áramtermelő napelemek működése

A napelem a Napból érkező sugarak energiáját villamos energiává alakítja át. Az átalakítás alapja az a kémiai, illetve fizikai folyamat, amelyet fényelektromos jelenségnek nevezünk. A fény elnyelődése során olyan töltött részecskéket generál, amelyek helyváltoztatásra képesek. E részecskéket az a beépített elektromos tér, amely az elektrokémiai potenciálok, valamint az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódik, rendezett mozgásra kényszeríti. A napelemek mellett ismertek a fotovoltaikus elemek, amelyek abban különböznek a napelemektől, hogy árnyékban is képesek villamos energia termelésére.

Napelemek felépítése, működése:

A napelemek, amelyeket napjainkban tömegesen gyártanak és alkalmaznak, szinte mind kizárólag szilíciumból készülnek. A szilícium (Si) a Földön előforduló leggyakoribb ásvány, leginkább közismert megjelenési formája a homok. Az ábrán látható a napelem keresztmetszeti képe. A szilícium alapanyagot megtisztítják, egykristállyá húzzák, vagy polikristályos szerkezetnél grafit, illetőleg kerámiaformába öntik, majd a szigetelés következik. Ezt követően kialakítják a töltés szétválasztó réteget, illetve szitanyomásos eljárással létrehozzák az áramelvezető kontaktusokat.

Napelemek típusai:

Alapanyaga szerint többféle napelem létezik:

Hatásfok szempontjából a leghatékonyabb eszközök az egykristályos napelemek, illetve a polikristályos napelemek, 18% körüli hatásfokukkal (laboratóriumi körülmények között már 25%-ot is elértek).

Napelemes rendszer

Egy napelemes rendszer a legtöbb esetben az ábrán látható főbb egységeket tartalmazza: Amint az ábrán láthatjuk, bizonyos esetekben a napelemes áramforrásokban akkumulátorokat is kell alkalmaznunk. Ezek főbb típusai a következők lehetnek:

1.) Az energiatárolás folyamataiban szerepet játszó főbb anyagok alapján:

2.) Kivitelezés alapján:

Napelemekből kinyerhető teljesítmény

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 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 kell 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 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.

Napelemek hatásfoka

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



ahol

• Pm a fényelem által leadott maximális teljesítmény
• E a napsugárzás energiája (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 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 0,6 V-nál. A rövidzárási áram a fényerősséggel arányos.

A szilícium fotoelemek hatásfoka 10%. Max sugárzásnál kb. 10 mW/cm2 A napelemek hatásfoka jelenleg 6-14% közötti, a legkorszerűbb - polikristályos - napelemek 20%-os hatásfoka már csúcsnak számít. Az áttörést itt is a nanotechnológiától remélik