A napelemekről

A napelem egy olyan eszköz, amely a nap sugárzását elektromos árammá alakítja át a fényelektromos jelenség segítségével. A napelem teljesítménye függ annak típusától, méretétől, a sugárzás intenzitásától és a sugárzott fény hullámhosszától, valamint annak beesési szögétől.

A Nap, mint energiaforrás

A napsugárzás földi energiamérlege és a direkt szórás
A megújuló energiaforrások közül a legstabilabb és ingyenes energiaforrásunk a napenergia. A sugárzásának intenzitása a Nap felszínén 6000˚C hőmérsékletnél 70000...80000kW/m². A Föld ennek az intenzitásnak a csak a töredékében részesül, amely átlagosan 1370W/ m² (napállandó). A Föld légkörén áthatoló sugárzás egy része elvész, így is csak szép napsütéses időben átlagosan 1000W/ m² energia lesz hasznos. Az 1. ábra szemlélteti, hogy mely tényezők miatt vész el a napsugárzás az adott felületet elérve.

1. ábra: A napsugárzás eloszlása

A Napból érkező energiát tekintjük 100%-nak. A Föld légkörét elérve a napsugárzás 23%-át a légköri gázok és a vendéganyagok elnyelik és hővé alakítják át, majd a másik 26%-át a légkör visszaveri. Tehát csak a földfelszínt összesen 51%-nyi napsugárzás éri, de ebből csak 33%-a direkt (közvetlen) sugárzás és 18% szórt sugárzás. A földfelszínt elérve a napsugárzás 10%-a visszaverődik, de itt is csak 5% elnyelődik és a megmaradó 5% a világűrbe távozik. A Napból érkező napsugárzás a földfelszínt elérve csak 49%-a lesz hasznos, ami a szórt és a direkt sugárzásból áll. A 2. ábra szemlélteti a szórt és direkt napsugárzás kW/m²/nap, éves havi átlagra bontva.

2. ábra: Szórt és direkt sugárzás

Az ábrán látható, hogy nyári hónapok közül a júniusi hónapban a legintenzívebb a napsugárzás.

Magyarország napsugárzása
Globálsugárzás alatt a Napból érkező közvetlen sugárzás valamint az égbolt minden részéről érkező szórt sugárzás összegét értjük. A 3. ábrán Magyarország napsugárzását látjuk.

3. ábra: Magyarország globálsugárzása

Mint látjuk, hogy a napsugárzást általában a MJ/ m² formában szokták megadni meteorológusok, de egy egyszerű számítással át lehet számolni W/ m²-be az alábbi módon: 1 kWh/m²/nap = 3,6 MJ/m²/nap

Magyarországon a legtöbb besugárzás a Tiszántúl déli területein tapasztalható, viszonylag nagyobb még a sugárzás a Dunántúlon illetve az Alföld déli vidékein. Legkevesebb besugárzásban a nyugati határszél és az Északi-középhegység térsége részesül.

A besugárzás területi eloszlását két tényező határozza meg: a földrajzi szélesség, valamint a felhőzet mennyisége. Hazánk területén (az országon belül tapasztalható kis szélességkülönbség miatt) a felhőzet nagysága a besugárzás döntőbb tényezője, amelyet a 4 ábra szemléltet.

4. ábra: Magyarország globálsugárzása és felhőborítottsága

Magyarország éves napsütéses óráinak száma

Napfénytartamon azt az időtartamot értjük, ameddig a felszínt közvetlen sugárzás éri. A napfénytartamot befolyásoló tényezők a csillagászatilag lehetséges napfénytartam, a domborzat valamint a felhőzet - ez utóbbi a napsütést még a besugárzásnál is erősebben befolyásoljaMagyarországon legnaposabb a Duna-Tisza közének déli fele 2000 óra fölötti évi napsütéssel, legkevésbé napos területeink pedig az Alpokalja és az ország észak-keleti régiója, 1800 óránál is kevesebb évi napfényösszeggel.

Télen magasabb hegyvidékeink másfélszer annyi napfényes órában részesülnek, mint az alföldi területek, mivel télen gyakoriak az olyan inverziós helyzetek, amikor az alacsonyabban fekvő vidékeket megülő ködből magasabb hegyeink kiemelkednek, és zavartalan napsütésben részesülnek. Nyáron ellenben a hegységek borultabb, csapadékosabb időjárása miatt mindegy 10 százalékkal kevesebb a napsütéses órák száma az alacsonyabb fekvésű sík fekvésű területekhez viszonyítva.

5. ábra: Magyarország napsütéses óráinak száma

6. ábra: Magyarország napsütéses óráinak száma havi felbontásban

Napsugárzás spektrális megoszlása

7. ábra: A napsugárzás spektrális megoszlása

Fénynek nevezzük az elektromágneses sugárzásnak egy bizonyos tartományát, amelyből a 400–800 nm hullámhosszúságú az ember számára látható a következő színekben:

• 400–420 nm – ibolya
• 420–490 nm - kék,
• 490–540 nm - zöld,
• 540–640 nm - sárga,
• 640–800 nm - vörös
• Felette "hősugárzás"

0,29-0,4 μm: ibolyántúli sugárzás, részaránya 9%
0,4-0,75 μm: látható fény tartománya, részaránya 49%
0,75 μm-től: nem látható infravörös (hő-) sugárzás, részaránya 42%

Napelemek

A napelem egy olyan eszköz, amely a nap sugárzását elektromos árammá alakítja át a fényelektromos jelenség segítségével. A napelem teljesítménye függ annak típusától, méretétől, a sugárzás intenzitásától és a sugárzott fény hullámhosszától, valamint annak beesési szögétől.

A napelemek működése
Hogy megértsük a fotocellák működési elvét, meg kell ismernünk azok építő elemeit és a fény természetét. A szolár cellák két fajta anyagot tartalmaznak, ezeket gyakran p-típiusú és n-típusú félvezetőknek nevezzük. Bizonyos hullámhosszú fény képes a félvezető atomjainak ionizációjára, ezáltal a beeső fotonok többlet töltéshordozókat keltenek. A pozitív töltéshordozók (lyukak) a p-rétegben, míg a negatív töltéshordozók (elektronok) az n-rétegben lesznek többségben. A két ellentétes töltésű réteg töltéshordozói habár vonzzák egymást csak egy külső áramkörön keresztül áramolva képesek rekombinálódni, a köztük lévő potenciál lépcső miatt.
Egy fotoelektromos cella teljesítményét a következő három dolog határozza meg:

• a típusa és mérete a szolár cella anyagának
• a fény intenzitása
• a fény hullámhossza

A szimpla Si kristály alapú szolár cellák például nem képesek a napsugárzás energiájának 25 % - nál többet elektromos árammá alakítani, mivel az infravörös tartományban a fénynek nincs elég energiája, hogy ionizálja a félvezető atomjait.
Polikristályos Si szolár cellák hatásfoka 20 % körüli, az amorf Si celláké 10 %.Egy tipikus Si kristály alapú szolár cella 1.5 W / 100 cm2 teljesítményt ad le 0.5 V DC feszültség és 3 A áram formájában teljes nyári napsütésnél (1100 W / m2).
A leadott teljesítmény szinte egyenesen arányos a napsütés intenzitásával. Egy fontos tulajdonsága a szolár celláknak, hogy a cella feszültsége nem függ a méretétől, és nem befolyásolja a fény intenzitásának változása sem. Így a szolár cella áramerőssége szinte egyenes arányban van a cella méretével és a fény intenzitásával. Tehát a különböző napelemek összehasonlítására a áramerősség / felületegység (A / cm2) mérőszám ad felvilágosítást.

A szolár cellákat sok különböző méretben és formában állítják elő, a felhasználási területnek megfelelően. A kisebb bélyeg méretűektől a néhány 10 centiméteresig. A cellák összekapcsolásával szolár modulokhoz jutunk. Ezekből a modulokból állítják elő a felhasználó számára a szolár rendszert. A napelemes rendszerek mérete egyebek közt függ a napsugárzás mennyiségétől, az elhelyezéstől és a felhasználói igényektől. A napelemes rendszer a szolár cellákon kívül tartalmazza még az elektromos csatlakozásokat, az illesztési eszközöket, teljesítmény szabályozókat, és az akkumulátorokat.

Napelem típusai és jellemzői
Alapvetően három fő típust különbözetünk meg, ezek az amorf kristályos napelem, mono- és polikristályos napelemeket különböztetünk meg. Ezeknek hatásfokuk és az előállítási költségük nagyon eltérő egymástól. A következőkben ismertetésre kerülnek a napelemek típusai.

Amorf napelem Ez a legelterjedtebb típus, mert olcsó az előállítási költsége. A hatásfoka 4-6% között van, ami alulmarad a többihez képest. Mivel kicsi a hatásfoka ezért jóval nagyobb felületet igényel az elhelyezése. Az amorf napelem a szórt fényt jobban hasznosítja, mint a közvetlen napfényt. Az élettartamuk csak 10év körül van.

8. ábra: Amorf típusú napelem

Monokristályos napelem
Ez a napelem a ma létező legjobb hatásfokkal bíró napelem, aminek hatásfoka 15-17% között van. A monokristályos napelem a közvetlen napfényt hasznosítja jobban, de a szórt napfényben már kevésbé tudja hasznosítani. Élettartama 30év körül van.

9. ábra: Monokristályos napelem

Polikristályos napelem
Ennek a hatásfoka is már megközelíti a monokristályos napelemét, aminek hatásfoka 10-13% között van. Élettartama 25év körül van.

10. ábra: Polikristályos napelem

A napelem hőfokfüggése
A napelemek hőfokfüggése jelentős, így normális jelenség, hogy télen a rövid nappalok során, ha hideg van, de erősen süt a nap, többet termelnek, mint augusztusban. (Kovács Csaba).

/Kovács Csaba/
http://ekh.kvk.uni-obuda.hu/napelemek/17-napelemek-mukodese-es-alkalmazasa.html

Hogyan működnek a napelemes rendszerek?
A szilícium lapokból kialakított napelem táblák a fény (napsütés) hatására elektromos egyenáramot termelnek. Ezt az egyenáramot egy átalakító készülék (Inverter) 230V-os váltóárammá alakítja át. Az áramszolgáltató a napelemes rendszer átvételekor, az engedélyezést követően kicseréli a villanyórát egy "oda-vissza" mérő órára, ami méri, ha – pl. éjszaka - áramot veszünk fel a hálózatból, és azt is, ha a napelem áramot táplál vissza, mert a fogyasztó aktuális fogyasztása kisebb, mint a rendszer teljesítménye. Az évi egyszeri elszámolás során – a jól méretezett napelemes rendszer esetén – az egyenleg nulla, azaz a fogyasztó mentesül az áramdíj fizetése alól.
A napelemes áram előállítása a legtisztább, 0%-os káros anyag kibocsátású energiatermelési mód. Alkalmazásával nem csak az aktuális, hanem a jövőbeni – minden ismert előrejelzés szerint növekvő mértékű- áramköltségek alól is mentesülhet a fogyasztó.

A napelemes rendszerek terjedése
A megújuló energiák hasznosítása világszerte robbanásszerű folyamattá vált az elmúlt években. Nem maradt ki ebből Európa, és benne Magyarország sem. Különösen szembeötlő a fejlődés a napelemes áramtermelő rendszerek vonatkozásában. A tapasztalatok alapján a szakemberek exponenciális növekedésre számítanak ezen a téren a következő évtizedben.

Mekkorák, mennyibe kerülnek?
A napelemes rendszereket teljesítményükkel határozhatjuk meg. 1 kW teljesítményű rendszer – panel típustól függően – 4-5 napelem panelt jelent, a panelek nagysága jellemzően 90x160 cm. Vagyis egy 1 kW-os teljesítményű napelemes rendszer kb. 6-7 négyzetméternyi napelem panelt jelent.
A napelem panelek, s emiatt a napelemes rendszerek árai napjainkra - jellemzően a tömegtermelés beindulásának köszönhetően – a 3-4 évvel ezelőtti szint mintegy harmadára csökkentek.
Jelenleg Magyarországon a napelemes rendszerek árai Kw-onként 5-600 eFt-ba kerülnek, ebben az árban a teljes engedélyeztetési, tervezési kivitelezési folyamat szerepel, azaz ezért az árért a kivitelező "kulcsrakész" állapotban adja át a rendszert, azt a szolgáltatónak csak műszakilag át kell vennie, és – az oda-vissza mérő óra cseréje után – a hálózatra kell csatlakoztatnia.

Mekkora fogyasztást fedeznek?
A napelemes rendszerek által megtermelt energia Magyarországon a tapasztalati adatok alapján átlagosan 1100 kWh évente 1 kW-os rendszerre vetítve. (Lásd. Napsütéses órák száma Magyarországon menüpontunkat). Azaz az évi energiaszükségletünk fedezésére szükséges méretű rendszert úgy határozhatjuk meg, ha az éves energia fogyasztásunkat (kWh) elosztjuk 1100-zal.
Jelenleg Magyarországon a lakossági villamos energia ára kb. 45 Ft/kWh. A fentiek alapján egy 1 kW-os rendszerrel évente mintegy 52 eFt-nyi (1100 kWhx45 Ft/kWh) áramdíjat válthatunk ki. ( Vagyis ahányszor 50 ezer Ft-ot fizetünk az évi villanyszámlára, annyi kW-os rendszerrel kell számolnunk).

Megtérülési idő, élettartam
Egy napelemes beruházás nagysága a jelenlegi kivitelezési költségek és áramdíjak mellett 8-10 év. A jelenlegi tapasztalatok és becslések szerint a napelemes panelek élettartama 25-30 év. Ez nem azt jelenti, hogy ezután "tönkre mennek", hanem hogy a teljesítményük némileg (10-15%) csökken, ám továbbra is használhatók.