A napelem működéséről érthetőn

A köznyelvben legtöbbször szimplán napelemként hivatkozunk rá, de ez az egyszerűsített elnevezés egy alaposan kigondolt, mérnöki pontossággal megtervezett rendszert takar. Összességében elmondhatjuk, hogy az egyes típusoktól függetlenül a napelemrendszer a kiválasztott félvezető panelekből, az inverterből, a tartószerkezetből, a kapcsolókból és kábelekből, illetve a baleset- és tűzvédelmet biztosító részekből áll.

A napelemes rendszert arra tervezték, hogy mind a háztartások egyéni/családi felhasználásait, mind az ipari igényeket illetően hasznosítsa azt a leginkább hozzáférhető megújuló energiaforrást, ami gyakorlatilag végtelen mennyiségben áll a rendelkezésünkre: a napenergiát. Éppen ezért a napelemes rendszert fotovoltaikus rendszernek is nevezik.

A napelem működésének alapja – Mit kell tudnod a napenergiáról?

Napjainkban a napenergia az egyik leginkább hozzáférhető és felhasználható megújuló energia. Ezekből Magyarországon főként 5 típussal találkozhatunk: napenergiával, szélenergiával, vízenergiával, geotermális energiával és a biomasszával.

Környezetvédelmi szempontok és a takarékos energiafelhasználás miatt rendkívül fontos, hogy kiaknázzuk a megújuló energiaforrásokban, így a napanergiában rejlő lehetőségeket. Ha így teszünk, nemcsak élhetőbb bolygót hagyunk hátra az utódainknak, de az energiaköltségeinket is csökkenthetjük és kevesebb kárt okozunk a természetnek.

A szinte bárhol elérhető napenergiának köszönhetően előállíthatjuk a háztartásunk és a munkahelyünk fenntartásához, valamint az utazásunkhoz szükséges áramot is. Használatával semmilyen jól megszokott kényelmi eszközről nem kell lemondanod.

Ugyanúgy használhatod tovább a televíziót, feltöltheted az okostelefonodat, működtetheted a WIFI-t, a mosógépet, a szárítógépet, a hűtőt, a fűnyírót, de napelemmel a fűtés is megoldható, meleg vizet készíthetsz és persze az elektromos autód töltésére is találsz elegendő áramot. (Ha olyan hatásfokú napelem rendszer mellett döntesz.)

Hasznosítsd a napenergiát – a napelemrendszer működése lépésről lépésre

Ahhoz, hogy ki tudd választani az igényednek tökéletesnek megfelelő napelemes rendszert, körültekintőnek kell lenned. A napelem rendszer kezdetben jelentős anyagi ráfordítást igényel – ami aztán évek alatt 100%-ban megtérül – éppen ezért fontos, hogy már elsőre a legjobb rendszer mellett tedd le a voksod.

A fotovoltavikus rendszer

Ez a káromkodásra hasonlító kifejezés gyakorlatilag a napelemes rendszert takarja, ami az alábbiak szerint épül fel.

A napból érkező fényt a külön-külön álló napelemek gyűjtik össze (1), majd az energia egyenáram formájában vezetéken keresztül az inverterbe érkezik (2), ami átalakítja a háztartásokban is felhasználható váltóárammá (3). Az inverterből az elektromos hálózatra kötjük a rendszert, hogy a pluszban termelt áramot feltöltsük a rendszerbe, hogy este és télen, vagy rosszabb időjárási körülmények között, az elektromos hálózatról kapjuk a megfelelő mennyiségű elektromos áramot.

Ahogy azt látni fogod, a napelemes rendszereket vizsgálva is eltérő teljesítményű eszközökkel találhatod szembe magad. Ez azonban nem rossz dolog, hiszen így pontosan be tudjuk paraméterezni egy kisebb – például 1-2 fős háztartás – és egy nagyobb család, de még egy gyár áramellátásához szükséges igényeket és a tényleges szükségletekhez tudjuk méretezni a napelemes rendszereket.

A napelem rendszer működése

A fotovoltaikus rendszer gyakorlatilag olyan eszköz, ami a Napból érkező fénysugárzás hatására villamos generátorként viselkedik. Fajtáit tekintve többet is megkülönböztethetünk egymástól, bár 1954-es feltalálását tekintve a félvezető szilíciumon alapuló rendszereket nevezhetjük a legelterjedtebbnek.

Maga a napelemes rendszer a fényt, azaz a napenergiát alakítja át villamos energiává. Ennek a folyamatnak azonban megvannak a lépései.

Áramtermelés 3 lépésben:

1. A napfény aktiválja a paneleket

A napelemrendszer a nap energiáját hasznosítja, a háztetőn, garázstetőn, falon vagy akár a földön elhelyezett és tömbbe/táblákba kötött napelem paneleket a Napból érkező fénysugarak aktiválják. A folyamatban nem elhanyagolható szerep jut a panelek anyagának, azok töltésének, így az alábbiakban erről ejtenénk néhány szót.

A legtöbb esetben az egyes panelek félvezető szilíciumból készülnek, hiszen az anyag strapabíró tulajdonságai lehetővé teszik a több évtizedes működést. Általánosságban véve elmondható, hogy ezekben kétféle, vékonyrétegű félvezető anyagot ötvöznek egymással.

Ezeket a kristályos szilícium félvezetőket külön-külön szennyezéssel kezelik.  Ezek a p-típusú – azaz pozitív –, valamint az n-típusú – azaz negatív – szennyezések. Az n-típusú félvezető réteg kristályos szilícium anyagát kis mennyiségben foszforral szennyezik, amitől rácskötéseken kívüli szabad elektronok jönnek létre benne. Ettől lesz ez a réteg negatív félvezető.

A p-típusú félvezető réteg alapja is kristályos szilícium, a különbség a szennyeződés anyagában keresendő. Itt ugyanis bórt használnak fel az eljárás során, ami elektronhiányt okoz a szerkezetben, ezért mondhatjuk azt, hogy lyukak jönnek létre benne. Az elektronhiány miatt pozitív félvezetésűnek minősül a réteg.

2. Létrejön az egyenáram

A félvezető szilícium panelekben a negatív és a pozitív töltések semlegesítik egymást, ugyanakkor a Napból érkező fény, illetve a bennük található fotonok hatására feszültség, elektromos mező jön létre közöttük. Ez az úgynevezett fényelnyelés jelensége, amitől a panelben lévő elektronok gerjesztett állapotba kerülnek.

Ekkor jön a töltésszétválasztás jelensége, amikor a napfény által gerjesztett elektronok p-n átmenete (pozitív-negatív) állandó elektromos teret hoz létre: ez szétválasztja egymástól a pozitív és negatív töltésű részecskéket, amik így vándorolni, mozogni kezdenek.

A pozitív töltésben keletkezett lyukak a negatív töltések felé indulnak el, míg a negatív töltésben létrejövő laza, szabad elektronok a pozitív töltés felé kezdenek el mozogni. Ezt a jelenséget nevezzük elektromos térnek, vagyis elektromos áramnak. Ezt a mindig mozgásban levő feszültséget a megfelelő kontaktusok segítségével egy külső áramkörbe vezetik, ezt hívjuk töltésvezetésnek. A végeredmény pedig a napelem panelek által létrehozott egyenáram.

3. Egyenáramból váltóáram

A napelemcellák által önmagukban előállított egyenáram sajnos se otthon, se az irodában nem hasznosítható. Ehhez 230 V-os feszültségű és mintegy 50 Hz frekvenciájú váltóáramra van szükség. Minden elektromos berendezésünk ezzel az úgynevezett váltóárammal működik, amit egy inverter rendszerbe iktatásával érhetünk el.

Ez az a berendezés, ami különböző szenzorok segítségével monitorozza a telepítés helyszínén lévő elektromos hálózatban mindenkor megtalálható egyenáramot, majd ehhez mérten alakítja át az egyenáramot váltóárammá.

A napelemes rendszered segítségével megtermelt váltóáramot nemcsak az otthonodban használhatod fel, hanem egy hálózatra visszatápláló inverter segítségével akár a közműhálózatnak, vagyis az áramszolgáltatódnak is eladhatod.

Természetesen a szolgáltatótól való teljes leválás és függetlenedés is megvalósítható, ehhez szigetüzemű napelemes rendszerre van szükséged. Hogy melyiknek mik az előnyeik és hátrányaik, illetve milyen típusú napelem cellákat választhatsz a napelemes rendszeredbe, a blogcikkeink között találsz minden kérdésedet kielégítő választ.

A napelemes rendszer és hatásfoka

Amikor a leendő napelemes rendszered után kutatsz, mindenekelőtt a szemed elé kerülő rendszerek hatásfokát nézd meg. Ez egy százalékos arány, ami azt mutatja meg az adott napelem milyen hatékonysággal tudja elektromos energiává alakítani a napfényt.

A tapasztalataink azt mutatják, hogy akkor tudod igazán kiaknázni a napelemes rendszeredben rejlő lehetőségeket, ha a tetőd déli tájolású (tehát fontos a napelem ideális tájolása), a dőlésszöge 35 fokos és nincs a közelben semmilyen árnyékoló tényező. Természetesen ez az az együttállás, ami a legritkább esetben szokott megvalósulni.

Azt tanácsoljuk, hogy ebben az esetben mindig mérlegelj: megéri-e neked a plusz tartószerkezet, vagy akár az egész tetőszerkezet átépítésének többletköltségét az a néhány %-os teljesítményjavulás? Ha még az 5%-kal kisebb hatásfokú napelemes rendszer is hozza azt a teljesítményt, amire szükséged van, talán érdemes lemondani róla.

Arra azonban most is felhívnánk a figyelmedet, hogy a napelemes rendszereknél nem feltétlenül érvényesül a nagyobb mindig jobb elve. Egyszerűen azért, mert a napelemrendszer működését és hatásfokát számtalan rajtuk kívül álló tényező befolyásolja.

Például:

  • a tető dőlésszöge,
  • a napelemek dőlésszöge,
  • a tető tájolása,
  • az éghajlat,
  • az aktuális időjárás,
  • a különböző árnyokoló tényezők (például kémény, fa, szomszéd ház, villanyoszlop stb.).

A hagyományos napelemes rendszerek esetében már egyetlen árnyékra vetődött napelem negatívan befolyásolja a többi modul működését, mert azok is csak annyira működnek, mint a „leggyengébb” láncszem. Szerencsére a mai modernebb, az úgynevezett smart rendszerek már képesek arra, hogy optimalizálják a teljesítményt és ahogy tudják, enyhítsék ezeket a negatív hatásokat.

Leave a comment