
Fényből energia – a napelemes rendszerek működése dióhéjban
Bár egyre többször látunk napelemeket a környezetünkben, és egyre gyakrabban találkozunk velük a sajtóban, hirdetésekben és akár baráti beszélgetésekben is, az, hogy hogyan lesz a fényből áram, bonyolultnak tűnhet. Ahhoz azonban, hogy megfelelő döntést hozzunk a telepítésről, kiválaszthassuk a számunkra ideális típust és a szükséges teljesítményt, nem árt, ha áttekintjük, hogyan működnek ezek az eszközök. Következő cikkünkben a napelemtípusokról lesz szó, illetve a napelemes hálózatok legfontosabb részegységeiről, hogy a tiszta energiatermelés folyamata átláthatóbb legyen a felhasználók számára.
A nap mint energiaforrás
A napenergia aktív hasznosításának három módját különböztethetjük meg. (Passzív hasznosításnak azt nevezzük, amikor építészeti megoldásokkal, elrendezéssel, anyagválasztással használjuk ki a napfényt és a nap által kibocsátott hőt.)
Napkollektorok esetében a rendszer a nap energiáját hőenergiává alakítja, ezzel pedig a hőcserélő közeg melegítését végezhetjük el. Ez a közeg lehet légnemű anyag, ám a legtöbb esetben víz, amelyet fűtőközegként vagy háztartási használati meleg vízként is hasznosíthatnak a fogyasztók.
A levegős hőszivattyúk – ugyancsak a levegő felmelegítésével nyert hőt hasznosítják, rendszerint légterek fűtésére lakó- és középületekben vagy akár ipari létesítményekben. Olyan ez, mint amikor gyártó üzemekben a gépek veszteséghőjével fűtenek be egy-egy csarnokot télen.
A napelemek azonban nem hőenergiát, hanem villamos energiát termelnek, amellyel háztartási gépeinket, elektronikai eszközeinket és berendezéseinket láthatjuk el árammal. Mivel a napfény könnyen hozzáférhető, a fotovoltaikus panelek pedig egyre hatékonyabbak és mind szélesebb körben érhetők el, tulajdonképpen egy hatékony, megújuló, környezetbarát és megbízható forrást jelent számunkra a nap. Nemcsak akkor, amikor a melegét, hanem amikor a fotonok tulajdonságait szeretnénk kihasználni.
Napsugárzásból egyenáram – így működnek a napelemek
A napelemeknek több típusát különböztetjük meg, de az energiatermelésért felelős részegység a legtöbb esetben ugyanaz, ez pedig nem más, mint a fotovoltaikus cella. Nevét a benne zajló fizikai jelenség után kapta, és ez csupán első hallásra tűnik bonyolultnak. Az anyagban végbemenő fotovoltaikus jelenség során az elektronok a vezetési sávba jutnak a fény gerjesztő hatásának köszönhetően. Ez egy magasabb energiaszintet jelent a részecske számára.
Ahhoz, hogy az elektronok az atommagtól távolodva, attól elszakadva szabadon áramolhassanak, egy fotovoltaikus cellát kell létrehoznunk, melyben a félvezető diódát (félvezetőnek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek alapállapotban nem vezetik az elektromos áramot, azonban megfelelő körülmények között és környezeti hatásokkal vezetővé tehetők) éri a megfelelő és elégséges sugárzás.
Kristályokban hasznosítható a fény – a napelemek leggyakoribb típusai 2021-ben
Monokristályos napelemek
A monokristályos napelem celláit egyetlen tiszta, nagyméretű szilíciumkristály tömbből vágják, ennek köszönhetik kifejezetten sötét, szinte fekete színüket. Ezek a nyolcszögletű kristályok termelik a legtöbb áramot felületarányosan, kiváló élettartamúak (ezért hosszú, akár 25 évet is meghaladó garanciát vállalnak rájuk a gyártók), és jó a hatásfokuk is.
Egyszerűnek hangzik, de valójában ez a legköltségesebb és legnagyobb alapanyag-igényű gyártási technológia a piacon, ezért jellemzően ezek a legmagasabb árú napelemek.
Ez a magas hatékonyság egyben hátrány is abból a szempontból, hogy a beérkező fény mennyiségétől nagymértékben függ a kinyert energia, vagyis a monokristályos napelemek érzékenyek a tájolásra, beesési szögre, árnyékolásra – jobban, mint a másféle technológiájú társaik.
Lényegében optimális körülmények közé valószínűleg ez a típus a legjobb választás, ha az induló költség számunkra nem akadály. A gyors megtérülésre nyugodtan lehet számítani.
Polikristályos napelemek
Ennél a típusnál a szilícium szilánkjait megolvasztják, és formába öntik, a végeredmény többkristályos, négyzetrácsos szerkezet lesz. A monokristályos technológiát teljesen kiegészítő ellentétpár: anyagfelhasználása optimális, ezért olcsóbb, de az öntött kristályok maximális hatékonysága nem veszi fel a versenyt a nyolcszögletű monokristályokéval. Ez viszont azt is jelenti, hogy nem optimális körülmények között (hajnalban, felhős időben stb.) akár jobban is működhetnek , mint a monokristályos szerkezet.
PERC
A napelemek hatékonyságát számtalan tényező csökkentheti, a gyártók ezekkel folyamatosan küzdenek a fejlesztések során. A PERC betűszó a Passivated Emitter and Rear Cell (kb. passzivált kibocsátó és hátsó cella) kifejezést takarja, ezzel a technológiával a monokristályos napelemek hatékonyságát lehet fokozni.
A napelem celláinak aljára helyeznek még egy „passzivációs” réteget, amelynek többféle haszna van:
- visszaveri a fényt, tehát egy kicsivel több fényenergiát tud elnyelni a cella,
- javítja az elektronok áramlását,
- visszaveri a már nem hasznosítható hullámhosszú fény egy részét, ezzel csökkenti a napelem melegedését.
A PERC-technológia nem sokkal növeli a költségeket, viszont felületarányosan javítja a hatékonyságot. Elképzelhető, hogy a következő években teljesen általános megoldássá válik, legalábbis a monokristályos napelemek esetében.
Zsindelyes
A szintén vadonatúj innováció a napelemcellák illesztésében hoz újszerű megoldást: ezekben a napelemekben nem forrasztják, hanem ragasztják a cellákat egy áramot vezető ragasztóval, a tetőcserepekhez hasonló átfedéses módon. Ennek köszönhetően kisebb a veszteség, kevésbé melegszenek és felületarányosan nagyobb teljesítményt adnak le a panelek.
Amikor napelemes rendszer telepítését tervezzük, a beruházás előtt nemcsak a közvetlen és azonnali költségeket érdemes mérlegelnünk, hanem hosszabb távon célszerű gondolkodnunk. Ehhez hozzátartozik az is, hogy figyelembe vesszük a napelempanelek telepítési körülményeit, a felszerelés helyét, a tájolást, a megfelelő dőlésszöget, ezek ugyanis meghatározzák, hogy milyen kristályszerkezetű napelemmel tudunk a lehető leghatékonyabban megújuló energiát termelni a háztartás számára. A megfelelő rendszer tervezéséhez segítséget nyújt az MVM Optimum OPTI napelem-kalkulátora, amely nemcsak a havi fogyasztást veszi figyelembe, hanem a felsorolt további tényezőket is. Mindezekre az adatokra szükség van ahhoz, hogy ideális napelemrendszert választhasson a felhasználó.
Nem elég felszerelni néhány panelt – a napelemes rendszerek működése és felépítése
Nemcsak a panelek típusai térnek el, hanem a termelés irányának tekintetében is megkülönböztethetjük a napelemes rendszereket. Az alapvető különbséget az akkumulátor telepítése jelenti.
Azokat a rendszereket, amelyek a megtermelt energiát lokálisan nem tárolják – hanem a felesleget a hálózatba visszatáplálják –, on-grid rendszereknek (hálózatra visszatápláló rendszereknek) nevezzük. Ez a rendszer rugalmas: amikor a fogyasztónak többletenergiára van szüksége, vagy olyan idősávban fogyaszt áramot, amikor a napelemes rendszer nem termel, a hálózatból pótolhatja azt, a többlettermelését pedig visszatáplálja a rendszerbe, nem lokálisan kell gondoskodnia annak tárolásáról.
Ezzel ellentétben az off-grid (vagy szigetüzemű) rendszer nem támaszkodik a hálózatra: a napelemek megtermelik a szükséges energiát, a többletet pedig akkumulátorokban tárolják a helyszínen. A hibrid rendszerek a hálózatra visszatápláló és a szigetüzemű rendszereket ötvözik: csak akkor szükséges a hálózatról pótolni az energiát, ha a lokálisan, akkumulátorokban tárolt napenergia nem elegendő a fogyasztás fedezésére.
Magyarországon jelenleg az akkumulátoros tárolás nem megoldott a háztartásokban, így alapvetően a hálózatra visszatápláló rendszerek terjedtek el.
Miből áll egy napelemes rendszer?
Ahhoz, hogy a tetőn elhelyezett napelempanelek által megtermelt energiát a háztartásban elektromos áramként hasznosíthassuk, egy sor további berendezésre van szükség. Ilyenek a paneleket tartó szerkezeti elemek, az inverter, amely a váltóáram előállításáért felel, valamint az akkumulátorok, amelyek a megtermelt energia tárolására szolgálhatnak. Ezt a négy alapelemet további biztonsági és hálózati eszközök egészítik ki, amelyek nélkül nem telepíthető napelemes rendszer.
Ilyen például az ad-vesz mérő, amely a többletként termelt és a hálózatra visszatáplált energia mennyiségét, valamint a központi hálózatból vételezett áramfogyasztást méri. Az on-grid rendszerek kulcsfontosságú eleme, hiszen a mért adatok jelentik az elszámolás alapját.
A napelemes rendszer lelke: az inverter
A hálózatra tápláló napelemes rendszerek központi elemét képező inverter elsődleges feladata, hogy az egyenáramból váltóáramot hozzon létre. Mindezt olyan formában, hogy ne csak a háztartás fogyasztó berendezéseinek feleljen meg a létrejövő villamos energia, hanem a hálózati áramnak is, így a többlet a hálózatba visszavezethető lesz.
Az inverter ellát továbbá védelmi és biztonsági funkciókat, illetve felel az áramtermelés optimalizálásáért is.
Az egységeket speciális kábelek kötik össze, továbbá a védelmi rendszer részeként elengedhetetlen a védőösszekötő vezető és a nulla sín. Utóbbiak a biztonsági vezetékeket fogják össze, mivel a napelemrendszerek magas feszültségű rendszereknek számítanak, speciális biztonsági feltételeknek kell megfelelniük, megelőzendő a személyi sérüléseket és baleseteket. A védelmi rendszerek kiépítésének előírásait jogszabályok részletezik.
Fontos kiemelni még azokat a kábeleket, amelyek a napelempaneleket az inverterrel (DC- vagy egyenáram-vezeték) kötik össze: ezek speciális, az időjárásnak és az egyéb környezeti körülményeknek, az UV-sugárzásnak ellenálló anyagból készülnek. Hozzájuk hasonlóan az AC- vagy váltóáram-vezetékek is szabványban rögzített keresztmetszettel rendelkeznek, ezek az invertert a lakáselosztóval kötik össze. Ez a többeres vezeték már kevésbé kitett az időjárási viszontagságoknak, mint a tetőről futó DC-vezetékek.
A rendszerben szükséges még elhelyezni egy tűzvédelmi kapcsolót, amely a tűzesetek során DC-oldali leválasztást biztosít, ezzel csökkentve a személyi sérülések, az áramütés kockázatát. További biztonsági funkciókat látnak el a túláramvédelmi, a túlfeszültség-védelmi rendszerek, valamint a leválasztó kapcsoló.
Mennyire környezetbarát döntés a napelem?
A nem megújuló energiahordozókkal szemben a nap elméletileg korlátlan mennyiségű felhasználható energiát jelent a fogyasztók számára. Ez a kijelentés azonban nem minden szempontból állja meg a helyét. A megújuló források használata is csak akkor lehet fenntartható döntés, ha jobb hatékonyságra, a megtermelt energiák minél jobb kihasználására törekszünk.
Természetesen a napelemrendszerek környezetbarát és fenntartható módon láthatják el a háztartásokat energiával, sokkal inkább, mint a hagyományosan alkalmazott, nem megújuló források. A rendszer pedig akkor igazán környezetbarát, ha a teljes életciklusát tekintve gondolkodunk róla: figyelembe vesszük az előállítás, az üzemeltetés és a hulladékkezelés lépéseinek esetleges környezeti terhelését is.
Amennyiben ezeket sem hagyjuk ki a képletből, egy hatékony, lokális energiatermelő rendszert nyerhetünk, amellyel akár évtizedekig biztosíthatjuk háztartásunk teljes áramigényét.
Napelem kalkulátor
OPTI kalkulátorunkban megtervezheti napelemes rendszerét, és azonnal láthatja annak indikatív árát. Nézze meg most, hogy mennyibe kerülne zöldebbé tenni otthonát!
Kalkulálok az OPTI–ban