A napelemes rendszerek egyre népszerűbbek hazánkban is, így szinte mindenki találkozott már valamilyen formában, akár csak a szomszéd háztetőjén vagy egy újságban, hirdetésben ezekkel a berendezésekkel. A működési elvükkel viszont sokkal kevesebben vannak tisztában. A tájékozódást nehezíti, hogy sokszor eltérő információk vannak a napelemekkel foglalkozó különböző oldalakon. Ezért is szeretnénk egy összefoglalóban bemutatni ezeknek az energiatakarékos berendezéseknek a részeit és a működését.
A napsugárzás
Az szinte mindenki számára egyértelmű, hogy a napelemes rendszer a Nap fényét használva állít elő elektromosságot. A napsugárzás elektromágneses sugárzás is egyben, és ezt használja fel a napelem-technológia.
Olyan megújuló energiaforrás ez, ami végtelen mennyiségben áll a rendelkezésünkre. A Földre vetülő napenergiának azonban csak kb a fele éri el a felszínt, de ez is megoszlik, mivel egy részük visszaverődik, jóval kisebb arányban pedig elnyelődik. A szórt és direkt sugárzások 49 százalékban lesznek hasznosíthatóak összesen. Hozzávetőlegesen 1000 W/m2 energiát lehet így felhasználni. A sugárzás területi eloszlását több tényező befolyásolja. Ilyen a földrajzi szélesség, a felhőzet mennyisége, a napsütéses órák száma, a domborzat. Ezeket mind figyelembe véve, Magyarországon a legideálisabb terület napelemes rendszer telepítésére a Duna-Tisza közének déli része, itt évi 2000 óra napsütés jellemző. Ez persze messze nem azt jelenti, hogy máshol le kellene mondanunk a napelemek használatáról!
A napelemek típusai és működésük
A napelem tehát egy olyan eszköz, amely a Nap sugárzását villamos energiává alakítja át. A felhasználás során a környezetet sem szennyezi a berendezés, mivel nem szabadulnak fel káros anyagok a légtérbe.
Napjainkban a napelemeknek két fő csoportját különböztethetjük meg:
Monokristályos napelemek: ez minősül a legjobb hatásfokkal rendelkező típusnak (akár 20 százalék), az élettartama a háromszorosa is lehet az amorf napelemének.
Polikristályos napelemek: valamennyivel olcsóbbak, mint a monokristályos modellek, és a hatásfokuk megközelíti az előző típust. Az élettartamuk is megközelíti a monokristályos elemeket (minimum 30-40 év).
Magyarországon a polikristályos napelemek használatát ajánlják általában, mivel ez szűrt fényben és árnyékosabb tetőfelületeken hatékonyabb. A monokristályos napelemek olyan tetőre ajánlottak, ahol egész nap zavaró tényező nélkül kapja a napsugárzást a rendszerünk.
A két napelem típus működési elve megegyezik. A napelem cella két különböző, egymással összekapcsolt, vékony rétegű félvezető anyagot tartalmaz. Az egyik félvezető pozitív, a másik negatív töltésű. Ezek a félvezetők általában szilíciumból vannak, ami egy nagyon stabil anyag, de készülhetnek más anyagokból is. A negatív (n-típusú) félvezetők kristályos szilíciumból állnak, amelyet igen kis mennyiségű foszforral szennyeznek, hogy szabad elektronokkal rendelkezzen. A pozitív (p-típusú) félvezetők is kristályos szilíciumból készülnek, melyet kis mennyiségű bórral szennyeznek, hogy ezáltal elektronhiány lépjen fel bennük. Ennek a két ellentétes szennyezésű rétegnek az összeillesztésénél jön létre a feszültség.
Leegyszerűsítve a folyamat úgy történik, hogy amikor a megfelelő hullámhosszúságú napfény a napelemre esik a pozitív és a negatív tartomány közötti semlegesített zónába nyelődik el, ahol a fény energiája az anyagban az elektronoknak adódik át. Ezek az elektronok a kapott energia által szabaddá válnak, és mozgásra kényszerülnek, vándorlásukkal pedig vezetik az áramot. Így létre is jött az elektromosság.
A napelemek viszont egyenáramot termelnek viszonylag kis feszültséggel, ami számunkra közvetlenül még nem hasznosítható. Ezért van szükség az inverterekre.
Az inverterek
Az inverter az egyik legfontosabb része a napelemes rendszernek, hiszen nélkülözhetetlen az elektromosság hasznosításához. Berendezéseink váltóáramot használnak, így közvetlenül a napelemben létrejött egyenáramot felhasználni nem tudják. Az inverter az, ami az egyenáramot a hálózatival megegyező váltóárammá alakítja és a szokványos 50 Hz frekvenciájú, 230 V-os feszültséggel rendelkező hálózati áram lesz. Ezt már hasznosíthatjuk az otthonunkban, de a közműhálózatba is visszatáplálható.
A hálózatba tápláló inverterek esetén ez jelenti az összeköttetést az elektromos közműhálózat és a napelemek között. A szigetüzemű rendszereknél is ugyanaz az inverter feladata, itt azonban az akkumulátorokból érkező egyenáramot alakítja hasznosítható váltóárammá.
Napjainkban már alapelvárás egy invertertől, hogy wifi-s összeköttetéssel számítógépen, okostelefonon monitorozható legyen rendszerünk termelése. Az inverter kiválasztásánál az alap tényező, hogy mekkora teljesítményt tud fogadni, tehát mennyi napelemet lehet rákötni. Kialakításától függően használhatunk egy- illetve háromfázisú invertert, amelyikre adott esetben szükségünk van.
(Az inverterekkel egy későbbi cikkünkben még fogunk foglalkozni.)
Ad-vesz mérőóra
Hálózatba táplálás esetén még egy fontos eleme van a rendszernek az ad-vesz mérőóra. A napelemes rendszer telepítés után a villanyóránkon valójában nem a ház villamosenergia-fogyasztását mérjük ezután, hanem a hálózatból vételezett villamos energia mennyiségét. Napelem nélküli esetben a kettő megegyezik, hálózatra visszatápláló napelemes rendszer telepítése után azonban az ad-vesz mérőórán a hálózatból vételezett, és a hálózatba visszatáplált energia mennyiségét olvashatjuk majd le (ez nem egyezik meg a fogyasztással). Jól méretezett napelemes rendszer esetén, az ad-vesz órán leolvasott vételezés és a visszatáplálás éves ciklusban megegyezik. Magyarországon jelenleg a korlátlan visszatáplálás és az éves szaldós elszámolás lehetősége miatt nincs különösebb jelentősége annak, hogy a napelemekkel előállított energiát közvetlenül felhasználjuk, vagy azt visszatápláljuk a hálózatba. (Az ad-vesz mérőórával és az elszámolással kapcsolatban sok kérdés szokott felmerülni, így ezt a témát is kifejtjük majd egy újabb blogbejegyezségben.)
