A napelem egy olyan eszköz, amely a nap sugárzását elektromos árammá alakítja át a fényelektromos jelenség segítségével. A napelem teljesítménye függ annak típusától, méretétől, a sugárzás intenzitásától és a sugárzott fény hullámhosszától, valamint annak beesési szögétől.
A napelemek működése
A fotocellák működési elvét, azok építő elemeit és a fény természetét a következő képen lehet meghatározni. A szolár cellák két fajta anyagot tartalmaznak, ezeket gyakran p-típiusú és n-típusú félvezetőknek nevezzük. Bizonyos hullámhosszú fény képes a félvezető atomjainak ionizációjára, ezáltal a beeső fotonok többlet töltéshordozókat keltenek. A pozitív töltéshordozók (lyukak) a p-rétegben, míg a negatív töltéshordozók (elektronok) az n-rétegben lesznek többségben. A két ellentétes töltésű réteg töltéshordozói habár vonzzák egymást csak egy külső áramkörön keresztül áramolva képesek átlépni, a köztük lévő potenciál lépcső miatt.
Áramtermelés napenergiával
Magyarországon a Nap energiáját napelemes rendszert nemcsak ott lehet és célszerű alkalmazni ahol egyáltalán nincs vezetékes áramellátás, hanem ott is, ahol már van kiépített hálózat, mivel még a kisebb rendszerek (1-2 kWp) hálózatra kapcsolása is technikailag megoldott. Ezeknél - az ún. hálózatra táplálós - rendszereknél nincs szükség akkumulátorokra, és nem kell tartanunk attól sem, hogy kevés lesz az energia légkondicionáló berendezésünk üzemeltetéséhez. A technológia lényege az, hogy az elektromos (ad-vesz) mérőóránk a teljes fogyasztáshoz képest a napelemes rendszer által megtermelt árammal kevesebbet fizetünk az áramszolgáltatónak. (átvételi árakat figyelembe kell venni!).
A napelemekkel termelt energia napközben több, mint amennyit éppen fogyasztanánk, estefelé viszont fordított a helyzet. Erre jelent megoldást az, hogy az áramszolgáltató visszavásárolja tőlünk a napelemes rendszerünkkel megtermelt áramot. Ez a módszer kiegyenlíti a termelési és fogyasztási csúcsunk eltérését, ugyanis ebben az esetben most már érdemes éves szintre vetítenünk mind a termelésünket, mind pedig a fogyasztásunkat. Egy átlagos családi ház éves energiafogyasztása legyen 2.000 kWh. A polikristályos napelemekkel előállítható áram négyzetméterenként 120-150 W/h, ez pedig azt jelenti, hogy 10 négyzetméteres felületen 1,2-1,5 kWh áram állítható elő óránként. A Magyarországon átlagosan jellemző napsütéses órákkal (2000-2150 óra).
Napelem típusai és jellemzői
Alapvetően két fő típust különbözetünk meg, ezek a mono- és polikristályos napelemek. Ezeknek a hatásfokuk eltérő egymástól. A következőkben ismertetésre kerülnek a napelemek típusai.
Monokristályos napelem
Ez a napelem a ma létező legjobb hatásfokkal bíró napelem, aminek hatásfoka 15-17% között van. A monokristályos napelem a közvetlen napfényt hasznosítja jobban, de a szórt napfényt már is kedvezően tudja hasznosítani. Élettartama 30év körül van.
Polikristályos napelem
Ennek a hatásfoka is már megközelíti a monokristályos napelemét, hatásfoka 10-13% között van. Élettartama 25év körül van.
Inverterek
Két fajta invertervezérlést különböztetünk meg:
- szigetrendszerű invertert
- hálózatra szinkronizált invertert.
Csak CE, ISO és MEEI-TÜV minősített hálózati inverterrel lehetséges az egyetemes áramszolgáltató meglévő hálózatára a rákötés ill. a betáplálás és így a megtermelt villamosenergia egyszerű és garantált használata. Az inverter feladata az áramátalakítás és a hálózatra táplálás mellett még a rendszer ellenőrzése és a termelt energia optimalizálása (MPPT és MPP). A hálózatra szinkronizált inverter méri a frekvencia-, a feszültségi- és a hálózati impedancia értékeit és a min-/max. határértékek túllépése után automatikusan lekapcsolja magát a hálózatról. Az inverter és a hálózat között túlfeszültségvédelem és kismegszakító kell, amellyel a hálózat védve van a napelemes rendszer esetleges meghibásodásától illetve a karbantartás ideje alatt, illetve a hálózatban esetlegesen fellépő hibák, zárlatok sem tehetnek kárt a napelemes rendszerben. A visszatáplálás természetesen a hálózat periódusával van szinkronizálva. Az inverter tehát a fenti a funkciókkal tartja a két különböző energiaforrás között a kapcsolatot: egyszer az egyenáramú és másodszor a váltóáramú hálózat között.
Néhány újabb generációs inverterben már integrálva van a DC teljesítménykapcsoló, opcióban létezik még a DC-túláram elleni védelem is már, amit megrendeléskor meg kell adni.
A fotovoltaikus rendszer egy ún. kétirányú ad-vesz számlálón keresztül van a hálózatra kötve: az inverter standby- üzemben is fogyaszt áramot.
A modulok átlagos élettartama 25 év, az inverterek garanciája pedig a gyártótól függően 5 év, ami opcionálisan meghosszabbítható. Az inverterek automatikusan dolgoznak és mindig a maximális teljesítményt adják a hálózatra. Itt automatikusan lesz a maximális teljesítmény pont meghatározva azaz kiértékelve (MPP). A mai inverterek 98%-os hatásfokot is elérnek már. Feltétel természetesen, hogy az inverterek optimálisan vannak az alkalmazott modulokhoz tervezve. Az inverterek nem igényelnek karbantartást. Az élettartamuk azonos más elektromos készülékével.
A napenergia alkalmazásának formái
Napelemes energiarendszerek esetében beszélhetünk úgynevezett szigetüzemről, és hálózati visszatáplálásról, valamint ezek kombinációjáról.
Szigetelt üzemű
Szigetüzemről akkor beszélünk, ha a villamos energiát napelem modulokkal termeljük, és az energiát akkumulátorokban tároljuk. (Természetesen itt értendő a két elem közé bekötött töltő berendezés is). A fogyasztókat ennek segítségével elláthatjuk akár 12V, vagy 24 V egyenfeszültséggel. Amennyiben szükség van rá inverter segítségével akár ~230V feszültségű fogyasztókat is üzemeltethetünk. A megoldási módja a szigetüzemnek ott javasolt, ahol a fogyasztók messze esnek a közcélú villamos energia hálózattól. Itt azonban fontos mérlegelni, hogy melyik rendszert érdemesebb telepíteni. A napelemes rendszert, vagy a közcélú hálózatot. Ezért összehasonlítandó a napelemes és a közcélú létesítési mód beruházási, illetve fenntartási költsége.
Hálózati visszatáplálás
Hálózati visszatáplálásról akkor beszélünk, ha a napelemek által szolgáltatott feszültséget közvetlenül váltakozó feszültséggé alakítjuk át, így látjuk el a fogyasztókat. Amikor viszont nincs fogyasztás, akkor az arra alkalmas inverter segítségével a hálózatra táplálunk rá. Amennyiben a napelemek nem termelnek villamos energiát, természetesen azt a hálózatról vételezünk. A hálózati visszatáplálás jellemző formája az olyan családi házak, amelyek rendelkeznek már villamos hálózattal. Ha többlet energia termelődik, akkor azt vissza lehet táplálni a hálózatra, speciális(kétirányú) villamos mérő kiépítésével. Az áramszolgáltatók 2003 óta(VET) kötelesek átvenni a zöldenergiát.
A napenergia alkalmazás előnyei
A legtisztább és az egyik legígéretesebb megújuló energiaforrás a napenergia.
Csökken a környezetszennyezés, ezért javul a lakosság egészségi állapota.
A napelemek nem tartalmaznak mozgó, forgó alkatrészeket, élettartamuk évtizedekben mérhető (pl. Si-kristályos 25 év teljesítménygarancia).
A mostoha és szélsőséges időjárást jól tűrik.
A szórt fényt (borús időben) is jól hasznosítják.
Háztetőkön, parlagokon, mezőkön elhelyezhető.
Kiszámítható az áramtermelés.
Jó ár- /érték arány: megtérülés 8-10 év alatt a nagyságtól függően.
Megoldható a villamos hálózattól távol eső területek decentralizált, energiaellátása.
Minimálisak a működtetési (szervizelési és karbantartási) költségek.
Bár télen kevesebb a napsütéses órák száma, a napelemek hatásfoka télen kedvezőbb a hideg idő (itt a levegő hátoldali direkthűtés) következtében.
Pályázati támogatás lehetőségei.
