Napenergia

A Föld legfontosabb energiaforrása a Nap, ami elengedtetettelen a napelem működéséhez. A napsugár­zásnak köszönhető a földfelszín és a levegő fölmelegíté­se, így biztosítva a Föld +17°C-os közepes hőmérsékletet, amely az élet egyik alapfeltétele. A Nap külső gömb felülete az úgynevezett fotoszféra hőmérséklete igen magas, megközelítőleg 6.000 Kelvin (5.700 °C). Ennek a nagyon magas hőmérsékletnek következtében a Nap rövid hullámhosszú elektromágneses (fény-) sugárzást bocsát ki.

A Napnak a Földet elérő sugárzó teljesítményét – 173×1012 – kW hasznosíthatjuk többek között a napelemek segítségével, ez nagyságrendekkel több energia, mint amire az emberiségnek szüksége van jelenleg.

Kepler törvénye szerint a Föld olyan ellipszis pályán kering a Nap körül, melynek az egyik gyújtópontjában a Nap áll. A nappalok hosszának, vagyis a napsütött órák számának állandó változása annak köszönhető, hogy a Föld forgástengelye 23,5°-os szöget zár be a Nap körüli keringés tengelyével. Ez a 23,5°-os eltérés a napsugarak beesésiszögére és ezzel együtt az egységnyi területre eső energia mennyiségére is  változóan hat. Minél nagyobb a napsugarak beesési szöge – magasabb napmagasság – annál kisebb a napsugarak energia vesztesége, mert így a napsugaraknak kisebb utat kell megtenniük a Föld légkörében.

A Föld ellipszis alakú keringési pályája miatt a Föld-Nap távolság változó, értéke napközelben (január 3-án) 147 millió km, naptávolban (július 4-én) 152 millió km. A Föld-Nap távolság változásával együtt a napsugárzás értéke is változik, a változás azonban kismértékű. Ennek köszönhetően a Föld külső légkörét érő napsugárzásnak állandó értéket adunk, amit napállandónak (1,325 kw/m2) hívunk.

A Föld felszínét, és ezzel a napelem felszínét érő napsugárzás nagyságát több tényező is csökkenti. Ilyen tényező többek között a felhőzet és köd, amelyek jelentősebb mértékben csökkentik a napsugárzás értékét. A napsugárzás jelentős mértékét elnyelik, illetve visszaverik. Napsugárzás, és így a napelem szempontjából is fontos, hogy az adott földrajzi helyen, ahol élünk mekkora a napsütéses órák száma.

Hazánkban megközelítőleg évi 21.000 óra a napsütéses órák száma, köszönhetően az éghajlati adottságainknak.

Ez a 21.000 napsütéses óra éves szinten 13.000 kwh/m2 hőmennyiség jelent, nyáron, délben, felhő mentes égbolt esetén a hőmennyiség meg is haladhatja az 1.000 w/m2 értéket. Magyarország egyes területei között napsugárzás szempontjából nincsenek jelentős eltérések. A legnapo­sabb rész az ország középső, déli része, legkevesebb napsütés pedig az északi és nyugati részen van. Az eltérés az egyes országrészek között 10% alatti.

Napsütéses órák száma éves szinten

Napelem létjogosultsága

Hazánkban a napelem, illetve napenergia hasznosítása a 2004-es években kezdett elterjedni, leginkább ott, ahol nem volt elérhető közvetlen áramellátás. Ennek az alacsony számú napelem felhasználásnak az oka több dologra is visszavezethető. Egyrészt a technológia ismeretének hiánya, illetve a magas bekerülési költség, hiszen ebben az időszakban nem, vagy csak nagyon korlátozottan volt elérhető támogatás a napelem rendszerekre. Napjainkban a napelem technológia olyan mértékű fejlődésen ment keresztül, hogy gyakorlatilag bármelyik családi házra vagy társasházra felszerelhető, és könnyen illeszthető a meglévő elektromos hálózathoz. Mind amellett, hogy a napelem segítségével biztosítani tudjuk otthonunk elektromos szükségletet, a pluszban termelt energiát vissza tudjuk táplálni a meglévő villamos hálózatba. Az így pluszban visszatermelt villamosenergia kiegyenlítheti a napsütésben kevésbé gazdag időszakokban felhasznált hálózati villamosenergia mértékét, és éves szinten a villamosenergia felhasználásunknak a költsége nulla lehet.

Egy átlagos, 4 fős család éves energiafogyasztása 2.000 kWh. A polikristályos napelemekkel előállítható áram négyzetméterenként 120-150-180 W/h, ez pedig azt jelenti, hogy 10 négyzetméteres felületen 1,2-1,8 kWh áram állítható elő óránként. A Magyarországon átlagosan jellemző napsütéses órákkal (1.900-2.250 óra) számolva ez évente 1.200 -1.800 kWh áram termelését jelenti.

Elmondható tehát, hogy egy kisebb, 1,11 kW-os rendszer éves termelése az átlagos fogyasztásunk több mint 80%-át megtermeli.

Ha azt vesszük, hogy a szolgáltató ugyanannyit fizet az általunk megtermelt áramért, mint amennyiért nekünk adja, akkor egy az egyben számolhatunk.

Napelem – Napenergia előnyei

Napelem részei

A szilícium kristályos napelem szerkezetében a működés során lezajló folyamatok nem károsítják a napelemet, így annak élettartalma akár végtelen is lehet. A mindenapi használat során azonban számos környezeti hatásnak van kitéve a napelem, ami ellen védeni kell a kristályos napelemeket. Gondolunk itt a szélsőséges időjárási viszonyokra – hó, eső, jég – vagy a mechanikai terhelésekre. Azért, hogy ezek a környezeti hatások ne károsítsák a napelem kristályokat, egy megfelelő védelmet nyújtó anyagba kell beágyazni őket. A mechanikai védelmen túl szükséges a napelem villamos szigetelése is, amely különböző lehet a napelem felépítése és gyártási folyamatának függvényében.

Napjainkban a szilícium kristályos napelemek szeletelési gyártási technológiával készülnek, és a modulok befoglaló mérete meghaladhatja a 15×15 cm-t és, vastagságuk 0,25 mm vagy akár kisebb. A legyártott napelemeket a gyártási folyamat következő lépésében autómat – Stringer – sorba kötik, úgy, hogy a napelem alján végig futó – egy vagy két – fémszalagot a pozitív pólusnál hozzá kötik a következő napelem felső rétegének negatív pólusához, és ezeket a kötéseket forrasztással vagy ultrahanggal készítik. Az ezzel a módszerrel létrehozott füzérek – string – összekapcsolása egy szélesebb fémszalaggal – buszokkal – történik. A füzér (string) ily módon kiképzett kezdő és végcsatlakozásai aztán szélesebb fémszalagokkal (buszokkal) csatlakoznak egymáshoz. A folyamat minden lépésében minőség-ellenőrzést végeznek, például egy I-U görbe ellenőrzést minden elemre mesterséges fény mellett.

A sorozatgyártáshoz ún. string automatákat állítanak be. Csak is egyedi gyártáskor lesznek a cellák manuálisan forrasztva. A legtöbb standard modulban 36 vagy 72 cella lesz sorosan kötve.

A string kezdeténél és a végénél, illetve 3 párhuzamos stringnél vannak az elektromos csatlakozók kivezetve. Az így előállított napelem–mezőt ezután hermetikusan elszigetelik. A szabvány modulokat rendszerint EVA-kiöntőgyantával (vinil-acetát kopolimer) szigetelik. Ebben a gyártási eljárásban egy vékony réteg EVA-t visznek az első üvegrétegre, ezt követik a napelemek, majd egy újabb EVA réteg, végül a hátsó hordozó anyag, ami rendszerint egy másik üvegréteg, vagy műanyag réteg. Ezután az egész szerkezetet alacsony nyomás és túlnyomás alkalmazásával magas hőmérsékleten laminálják.

A laminálás után a modulokra villamos csatlakozókat szerelnek. A csatlakozások általában a modul hátoldalára szerelt csatlakozódobozban vannak, amely vízálló kábelbevezetésekkel rendelkezik. Az áthidaló (bypass) diódákat is ugyanez a csatlakozódoboz tartalmazza. A villamos csatlakozás vezetékei csavarokkal rögzíthetők, bár egyre inkább terjednek a szorítókapocsok (WAPO), melyek hosszú időn át egyenletes nyomóerőt képesek kifejteni a vezetékre. A szabvány modulok csatlakozódugasszal vannak ellátva. A csatlakozó vagy része a csatlakozó doboznak, vagy a modul beszerelt csatlakozó vezetékkel (kb. 0,9 m) rendelkezik, aminek a vége szabvány csatlakozódugó (Tyco, MC3, MC4, Huber+Suhner). Ennek a rendszernek nagy előnye, hogy a modulok könnyen és gyorsan csatlakoztathatók a telepítés helyszínén, és csak polaritás-helyesen köthetők össze. Hátránya, hogy a modulokon és az invertereken gyárilag felszerelt különböző csatlakozó dugók általában nem kompatibilisek egymással, mert több gyártó saját termékét veszi előnybe. Ezért nagyon fontos, hogy ezeket már a tervezés folyamán vegyük figyelembe.

Általában a modulok egy alumínium kerettel vannak körülvéve, amely egy adott szerkezetben a könnyű rögzíthetőséget biztosítja. A keret a moduloknak merevséget, az üvegszéleknek mechanikai védelmet is nyújt. A keret rendszerint alumíniumból készül, a rozsdamentes acél és a műanyag keret alkalmazása ritkább.

A fényvisszaverődés csökkentésére megfelelő felületi ki­képzéseket alkalmaznak.

Szilícium esetén gyakori eljárás a felület oxidálása. Az át­látszó, színtelen oxid, vastagságától függően, különféle interferenciaszíneket mutat. A beeső fény viszonylag kis része verődik vissza a feketés, sötét ibolyaszínű oxidált felületről. Az ilyen felület kialakításához kb. 0,1 mikromé­ter vastagságú szilícium-dioxid réteg szükséges.

A fényelnyelést a felület alakja, érdessége is befolyásolja. A tükörsima felületeken nagyobb a visszaverődés a matt felületekhez képest. Az <100> orientációjú szilícium fe­lületén anizotrop marással tetraéderes alakzatokat lehet létrehozni, amelyek hatékonyan csökkentik a visszavert fény részarányát. A csupasz szilícium felület mintegy 35 %-os reflexiós tényezője 20%-ra csökkenthető a felü­let érdesítésével, néhány %-ra pedig a texturálás és a fényvisszaverődést gátló réteg együttes alkalmazásával.

Napelem modulok

Napelemes rendszerek felületigénye

Teljesítménytől függően különböző méretű napelem modulokra lehet szükségünk, amelyek helyigénye is ennek megfelelően lehet nagyobb vagy kisebb. A modulok elhelyezésénél fontos figyelembe vennünk, hogy a megfelelő legyen a napelemek besugárzása, ami szükséges a napelemek maximális teljesítményének eléréshez. A napelem modulokat elsősorban családi házak tetejére lehet elhelyezni, de lehetőség van a kertben való elhelyezésre egy arra megfelelő tartószerkezet segítségével.

Egy 1.000 wattos (1,0 kWp) névleges teljesítményű, dőlt tetőre szerelt Si-kristályos napelemes rendszer (modultípustól függő) felületszükséglete kb. 8-10 m2 között van. Egy ugyan ekkora, és ugyanazon típusú napelemes rendszer lapos tetőre szerelve kb. 17-20 m2 felületet igényel.

Napelem lehetséges elhelyezései

A napelemek beépítésének két lehetséges módját különböztetjük meg, attól függően, hogy milyen a környezeti adottságunk, illetve, hogy milyen célból szeretnénk napelemet telepíteni. Létezik az úgy nevezett hálózatra kapcsolt – grid-connected – és sziget üzemű – standalone – napelem telepítés mód.

Hálózatra kapcsolt -grid-connected- napelem rendszer

A hálózatra kapcsolt napelem esetében a rendszer tartalmaz egy kétirányú -ad-vesz- mérésre alkalmas mérőórát, ami közvetlenül kapcsolódik a meglévő villamos hálózathoz. A kétirányú mérőóra méri a hálózatból kivett és felhasznált villamosenergia mennyiséget, illetve a napelem rendszerünk által, a hálózatba visszatáplált villamosenergia nagyságát is.

Lehetséges üzemmódok

Abban az esetben, ha e rendszer mellett döntünk, akkor új szerződést kell kötnünk az áramszolgáltatóval. Az eddig általányba fizetett villanyszámlánk alacsonyabb lesz, méghozzá a telepített napelem rendszerünk által várhatóan termelt éves villamos teljesítményével. Az elszámolás a villamos szolgáltató felé évente egyszer történik.

A napelem rendszer nagyságát célszerű úgy kiválasztani, hogy az fedezze a villamosenergia igényünket, nem érdemes túl méretezni a rendszert.

Ennek a rendszernek az egyik nagy előnye, hogy nincs szükségünk a pluszban megtermelt energia tárolására, hiszen azt közvetlenül be tudjuk táplálni a meglévő villamoshálózatba.

Szigetüzemű – stand-alone – napelem rendszer

Szigetüzemű rendszer esetén a kialakított napelem rendszer nem csatlakozik a villamos hálózatra, attól telje­sen függetlenül működik. Ennek a megoldásnak az alkal­mazása olyan területeken célszerű, ahol nincs, vagy csak nagy költséggel lehetne villamos hálózatot kialakítani (tanyák, istállók), illetve a tápellátási lehetőség máshogy nem megoldható (távközlési rendszerek, meteorológiai állomások).

Ebben az esetben a napelemekkel megter­melt energiát akkumulátorok töltésére használják fel. Az akkumulátorokban tárolt energia egyenfeszültségű és váltakozó feszültségű készülékek üzemeltetésére is alkalmazható. A rendszer hátránya, hogy az akkumuláto­rok élettartalma körülbelül két–három év, melynek cseréje jelentős költséget jelent, valamint a cserélt akkumuláto­rok megfelelő újrahasznosításáról is gondoskodni kell.

A hálózat nélküli alkalmazások széles körűen használha­tók az élet majd minden területén. Kezdve a villamos hálózat nélküli területek villamosításánál, katonasági te­repeken, egészen a különböző vízkitermelő rendszerekig. A hálózat nélküli rendszerek tehát rendkívül sokrétűen használhatók.

Hátrányuk, hogy a megtermelt energiát tárolnunk kell, mely akár jelentősen is befolyásolhatja a rendszer árát. A szigetüzemű napelemes rendszer hátránya tehát, hogy 30-50%-al drágább lehet egy ha­sonló teljesítményű hálózatra visszatápláló napelemes rendszernél. Ennek az az oka, hogy drágák az akkumu­látorok, és olyan más többletköltségek is felmerülnek, amik hálózatra visszatápláló rendszereknél nincsenek.

Nagy előnye viszont ezeknek rendszereknek, hogy bármikor szétszerelhetőek, elszállíthatóak, majd újra felállíthatóak figyelembe véve a helyszín adottságainak szempontjait.