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.

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.