Néhány szó a napelemekről…
A Napból a hazánk területére érkező energia mennyisége az ország teljes villamosenergia-felhasználásának kb. a 3500-szorosát teszi ki. Ez a szám is jelzi, hogy milyen óriási lehetőségek rejlenek a napenergia hasznosításában. Ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy ennek az óriási mennyiségű energiának a hasznosítása ma még műszakilag megoldatlan, nem is beszélve a gazdaságossági problémákról. Gondot okoz az is, hogy eddig még nem sikerült kielégítő módon feloldani azt az ellentmondást, hogy az energiaigény általában időben és térben nem esik egybe az igen eltérő intenzitású sugárzási értékekkel, sőt éppen akkor jelentkezik nagyobb energiaigény, amikor a sugárzás energiája kicsi. Mindezek ellenére a berendezések műszaki színvonala évről évre emelkedik, a berendezések gazdaságossági mutatói javulnak, és egyre szélesebb körben alkalmazzák őket szerte a világban.
Annak, hogy a háztartások maguknak termeljék meg a villamos energiát, ráadásul az amúgy is túlterhelt és ezért pusztuló természetes környezetünket nem terhelő módon, rengeteg előnye van. Azt, hogy érdemes a kérdéssel foglalkozni, mutatja a világ közvéleményének alakulása és erre mutatnak példát a nyugati országok is, ahol energiaigényük egyre jelentősebb részét látják el megújuló forrásokból, amelyeknek kiaknázásába bevonják az országuk lakosságát is.
Egy kis történelem…
Becquerel francia fizikus 1839-ben fedezte fel a fotovillamos jelenséget. Egy alkáli tartalmú folyadékba két fémlemezt helyezett el, és napfénnyel megvilágította. A két fémlemez között villamos feszültségkülönbség keletkezett. Innen a napjainkban alkalmazott műszaki megoldásokig hosszú út vezetett, és csak 1953-ban készítették el az első, ma is használt félvezető alapú napelemekhez hasonló kísérleti eszközt az amerikai Bell laboratóriumban.
1958-ban alkalmaztak először napelemeket az űrtechnikában az amerikai Vanguard I. műhold villamosenergia-ellátására. A napelemek szélesebb körű földi alkalmazására azonban csak az 1973-as olajválságot követően került sor. Hazánkban az első napelemes áramforrások 1975-ben készültek el.
Egy kis elmélet…
A napelemek, vagy más szóval a fotovillamos elemek a fotovillamos jelenséget hasznosítják: a Nap elektromágneses sugárzása a napelem alapanyagát képező félvezetőben szabad töltéshordozókat hoz létre, amelyek hatására a napelem fémelektródáin feszültségkülönbség jön létre. Ha a fémelektródákat külső áramkörön keresztül összekapcsoljuk, akkor a napsugár elektromos egyenáramot indukál. Az áram intenzitását a keletkezett szabad töltéshordozók száma határozza meg, a feszültség pedig a napelem alapanyagától függ. Mivel a napelem a napfény hatására működik, így akár közvetlenül az égboltról érkező, akár közvetett napsugárzás, vagy egyéb fényforrás hatására (felhős időben szórt fény) is villamos energiát termel.
A mindenki által, otthon is megtermelhető villamos energia
A napelemmel saját részre megtermelt elektromos áram manapság már csak elhatározás, és nem utolsósorban pénz kérdése. Az így megtermelt energia viszont felvet egy viszonylag komoly problémát. Nevezetesen azt, hogy az így előállított energiát – amennyiben nem közvetlenül és azonnal használjuk fel – tárolni kell.
A technika mostani színvonalán a villamos energia tárolása nem megoldott kielégítően, egyetlen mindennapi használatra alkalmas módja az akkumulátoros tárolás, ami sok problémát vet fel. Az akkumulátorok drágák, helyigényükhöz képest kis kapacitásúak, rövid élettartamúak, elhasználódásuk után pedig környezetszennyezőek. Ennek a problémának a kiküszöbölésére jött létre és terjedt el az a megoldás, hogy a kis energiatermelők a villamos hálózatot használják mintegy „akkumulátor”-ként. Ha fogyasztásuknál többet termelnek, akkor azt a hálózatba táplálják, ha pedig éppen többet fogyasztanak, mint amit az adott pillanatban megtermelnek, akkor a hálózatból vételeznek villamos energiát. Ez a módszer már sok helyen bevált és egyre elterjedtebb.
Németország úgy oldotta meg ezt a problémát, hogy kötelezi az áramszolgáltatót a napelemek által megtermelt energiát megvásárlására, ráadásul mindezt támogatott, magasabb árért. Így csökken
Mivel a napelemek csak napközben szolgáltatnak energiát, téli időszakban jóformán csak akkor, mikor senki sincs otthon, így ebben az időszakban a napközbeni fogyasztás kielégítésére nem kell túl nagy teljesítmény.
Ha egy minimálisan szükséges rendszer méretezésekor a fentiekben meghatározott átlagosan elfogyasztott napi 5,75 kWh energiát tekintjük alapként, akkor körülbelül egy 1 kW-os névleges teljesítményű rendszer telepítése indokolt.
Téli időszakban ez a napi 6-7 órás szórt fénnyel való megvilágítás hatására képes kb. 2kWh előállítására (ez fedezi a hűtőszekrény, és az egyéb napközben működő berendezések készenléti fogyasztását úgy, hogy nem kell energiát vételezni a hálózatból).
Nyáron kb. 8 órányi teljes megvilágítással számolhatunk naponta, aminek hatására az 1kW-os rendszerünk kb. 7kWh villamos energiát szolgáltat.
Külföldi, már évek óta gyakorlati használatban levő rendszerek példáját tekintve is reálisnak látszik ez a minimális rendszerméret. Az Amerikai Egyesült Államokban a hálózatra visszatápláló rendszerek szabályzásban vannak különbségek. A rendszereket telepítő vállalatok egy átlagos háztartáshoz legtöbbször 2,5kW névleges teljesítményű rendszert javasolnak. (Ez nálunk olyan, mintha egy 12A-es kismegszakítón keresztül érkezne a házba az energia.)
Mivel a magyarországi fogyasztási szokások jelentősen különböznek az amerikaiaktól, nálunk ez a méret jelentősen kisebb lehet. Itt kevés háztartásban használnak légkondicionáló berendezést, konyhamalacot (elektromos konyhai hulladékdaráló), ruhaszárító gépet, folyamatos kültéri megvilágítást stb. A fent felsorolt gépek nagy teljesítményűek, sok villamos energiát igényelnek működésükhöz. A magyarországi és általában az európai háztartásokban ezek nem szerepelnek, mint fogyasztók így az itteni rendszerek jelentősen kisebbek lehetnek, mint az amerikaiak, így az 1kW-os rendszerméret nálunk elegendő energiát szolgáltat.
Essen néhány szó a technológiáról is…
A ma gyártott és a napelemes áramforrásokban tömegesen alkalmazott napelemek legnagyobb része szilícium alapanyagból készülnek. A szilícium Földünkön a második leggyakrabban előforduló elem. Közismert előfordulási formája a homok, a szilícium dioxid, melyet termikus-kémiai reakcióval redukálnak, majd tisztítanak.
A jelenleg alkalmazott és a közeljövőben alkalmazásra kerülő hosszú élettartamú, nagy hatásfokú napelemek egykristályos illetőleg polikristályos szilícium felhasználásával készülnek. A tisztított szilícium alapanyagot egykristállyá húzzák, vagy polikristályos szerkezetnél grafit-, illetőleg kerámiaformába öntik, majd ezt követően szeletelik. A kedvezőbb hatásfokot optikailag illesztett reflexiócsökkentő bevonat és/vagy többszöri reflexió kialakításával, felületi textúrálás alkalmazásával érik el.
Hatásfok: Mennyi az annyi?
Az egykristályos illetve a polikristályos napelemek energiaátalakítási hatásfoka napjainkban már a 15-17 %-ot eléri. Laboratóriumi körülmények között azonban 24 % hatásfokú szilícium napelemek is készültek, sőt többrétegű napelemekkel 30% fölötti hatásfokot is mértek. Az egyrétegű napelemek elvileg elérhető hatásfoka 27% körül van, de többrétegű konstrukciókkal egyes kutatók a 60 % fölötti hatásfokot is elérhetőnek tartják. A korszerű napelem modulok energiaátalakítási hatásfoka 15 % és élettartamuk legalább 30 év. A minőségi napelem modulgyártók általában 10 év garanciával szállítanak, de lehet napelem modulokat kapni 20 év teljesítmény garanciával is.
Meg kell említenünk, hogy más anyagokból és egyéb eljárásokkal is készülnek napelemek. Ezek közül ki kell emelni az amorf szilícium alapanyagú napelemeket. Az amorf szilícium napelemeket vékonyréteg technológiai eljárások alkalmazásával állítják elő. A gyártástechnológia - elsősorban a kevesebb anyagfelhasználás miatt - olcsóbb napelemek előállítását ígéri. Laboratóriumi körülmények között 10-11 % hatásfok elérhető, azonban a gyártásban lévő amorf napelemek stabilizálódott hatásfoka 4-6%, vagyis ugyanahhoz a teljesítményhez amorf szilícium napelemből kb. 3-szor akkora felület alkalmazása szükséges, mint egykristályos szilícium napelemből.
Ha 15%-os hatásfokú napelemek alkalmazásával számolunk, akkor a teljes hazai villamosenergia-igényt mintegy 178 km² területről biztosítani tudnánk, ami az ország területének a 0,02 %-a.
Lássunk néhány Magyarországon megvalósult beruházást. Ezek a berendezések elsősorban az elektromos hálózat relatív távolsága miatt rentábilisak, hiszen a hálózat kiépítése 1 km-es távolságra meghaladja az 1 millió Ft-ot.
Gödöllőn, az egyetemen 1kW-os napelemes berendezés üzemel.
Gombán a vízmű riasztó védelmének működését napelemmel oldották meg
Több Ikarus buszt szereltek fel napelemes szellőző és fedélzeti akkumulátortöltővel.
A TITÁSZ területén többszáz távműködtetésű középfeszültségű szakaszolót működtet napelem
Erdők vadvédelmi villanypásztorai
Budapest, X. kerületében, Kőbányán üzemelő Dunasolar amerikai-magyar vegyes vállalat amorf-szilícium napelemeket állít elő, éves kapacitása 2.5 MW, melynek nagyobb része export. (összehasonlításul: a paksi atomerőmű kapacitása 1840 MW). Ehhez hozzá tartozik, hogy a Dunasolar napelemgyár 2003 nyarán gyártósorát Thaiföldre értékesítve befejezte a napelemek hazai gyártását.
Néhány hasznos link:
www.napenergia.lap.hu – A témával kapcsolatos hasznos linkek gyűjteménye
www.dunasolar.hu – A legnagyobb hazai napelem gyártó
www.napelem.hu – Napelemek, akkumulátorok
