Most már értem a napenergiát II. - Ismerd meg jobban a napelemet

Elindult az új Otthonfelújítási program! Minősítsen elő!

A leghatalmasabb energiaforrás a Föld (és az emberiség) számára a Nap-energia.
Az energia, egy széles spektrumú elektromágneses sugárzás formájában érkezik Földünkre[1],[2] számunkra korlátlan mennyiségben. A sugárzásban lévő energia kinyerése viszont nem egyszerű folyamat.

Ábra 1 Az ASTM G173 szerinti spektrum
(ASTM[3] amerikai szabványügyi testület)

Szerencsére a sugárzás olyan összetevőket is tartalmaz (hősugárzás, a „nap melege”) melyek közvetlenül is hasznosíthatók (infra hősugárzás), erre ötletes példákat látunk az állatvilágban melyet a törzsfejlődés dolgozott ki.

Gyík napkollektor — Napenergia hasznosítás az állatvilágban

A növényvilág esetében már más a helyzet. A növények többsége klorofill segítségével hasznosítja a sugárzást, cukrot és egyéb tápanyagokat állítanak elő, foto-kémiai szintézissel, reakciókkal (Calvin ciklus[4]). Ennek hatásfoka igen magas több mint 50…60%. Érdemes lenne néhány trükköt ellesni a természettől és házasítani a mi gyorsan fejlődő – de sajnos főleg technikai jellegű - tudásunkkal[5].

Krolofill által hasznosítható spektrum szegmensek — A Klorofill által hasznosítható spektrum szegmensek.

Az ember csak mintegy 300 éve értette meg az összefüggéseket (sugárzástörvények, energetika) és kezdett el kidolgozni szerkezeteket, a saját maga hasznára. A nyilvánvaló, és könnyen elérhető fosszilis energiákban (kőolaj, gáz, szén, fa) rejlő nagy energiasűrűség azonban azonnali, kivédhetetlen csábítást jelentett az ipar, és az üzleti élet számára. A pénzügyi szektor hamar kiszimatolta az extra profitokat és ez óriási mértékű beruházási hullámokat indított (vasút, gőzgépek, gyárak, gépesítés) megteremtve ezzel ipari és intellektuális fejlődésünk alapjait[6] (sajnos lássuk be, csak rövidtávon).

A villamosság felfedezése, az alapvető gépek kidolgozása, és megalkotása, azonban merőben új, és meglepő párhuzamos fejlődési irányt is sejtetett, melynek eredményei korunkban látszódnak beteljesülni. Az ezzel kapcsolatos felfedezések jelentősen lerövidítették azt az utat mely során egy adott energiaforrásból villamos energiát állítottunk elő.

A napenergia felfogására és kinyerésére számos eszközt alkottunk meg, ezek között a legismertebbek a napkollektor és napelem, melyek első látásra, annyira hasonlóak, hogy távolabbról akár össze is téveszthetők. Mindkettő napenergiát hasznosít, de lényegi különbség van működésük folyamatai és a technikai konstrukciós felépítésükben.

A napkollektor – mint azt neve is jelzi (collect, összegyűjt) – felfogja és összegyűjti a napenergiát. Bizonyos változatai síktükrök (hátsó visszaverő tükör, irányított síktükrök, Power-tower, Fresnel-lencse), és görbült felületű tükrök is lehetnek (forgási paraboloid, lineáris parabola vályú, gömbtükör, dish). Az íly módon kinyert energia tisztán hőenergia, átalakítást nem igényel, mert ebben a formában is alkalmas a további hasznosításra (Stirling motor, fűtés, melegvíz, gőz előállítás). Működése igen hatékony 50…60% körül van.

A napelem bonyolultabb szerkezet, legalábbis ami - a külső látszat ellenére - a belső működését illeti. Jelen esetben a napsugárzás spektrumának inkább az 700…800 nm alatti tartományának hasznosításáról van szó. A hasznosítás azon a korábban megfigyelt jelenségen alapul, hogy bizonyos anyagok (többnyire félvezetők) elektromos viselkedése (például ellenállása) a fény hatására megváltozik. A fényben lévő energia átalakul a felfogó anyagban, (félvezető szerkezet) és töltéshordozók szétválását (exciton, 10 ábra) eredményezi. Ha a szétválasztott töltéshordozókat külső kivezetésekhez kötjük (11 ábra), akkor villamos áramot figyelhetünk meg.

Az előállítás technológiai része

Az előállítás lényege, hogy egy fényre megfelelően reagáló fényérzékeny réteget hozzunk létre (ez többnyire valamely félvezető anyagszerkezettel állítható elő). A félvezető anyagot, egy ömledékből kristályosítással (Czohralsky[7] féle monokristály előállítás[8], vagy polikristályos tömb) vagy rétegtechnikai úton (CVD, PECVD[9]) állítjuk elő. Ezt az aktív réteget cellának nevezzük. A cella a napelem alapvető építő eleme.

Ez a cellát és aktív rétegét ezután a külső mechanikai sérülések és a korrozív hatások ellen védenünk kell, ugyanakkor biztosítani kell, hogy a fény zavartalanul bejuthasson a rétegbe.

Konstrukciós változatok

A napelemek az alábbi főbb részekből állnak:

Felfogó felület
Belső rögzítések
Belső elektromos összeköttetés
Kivezetések (JB, junction box, kötő doboz)
Mechanikai és nedvesség elleni védelmek
Külső rögzítő keret

Felfogó felület

A napelemek esetében az energiafelfogó felület félvezető[10] tulajdonságú anyag, többnyire szilícium. A piacon jelenleg a szelet alapú technológiák (wafer, cell) dominánsak (70-75%). A cella tipikus vastagsága 200-250 mikron. A cellának azonban csak a felső 1-2 mikron vastagsága aktív, ezért ez meglehetősen sok „ballaszt” anyagot tartalmaz, ami drágítja a technológiát. A piacra kerülő szelet alapú napelemek átlagos hatásfoka 17-20%, a csúcsminőség 22-24%-os. Bizonyos fejlesztések és alkalmazások nagyobb hatásfokú és más típusú napelemeket igényelnének, ezért a területen intenzív fejlesztés mutatkozik. Technológiákat és konstrukciókat „házasítanak össze”, ezek érdekes megoldások, de a mindennapi gyakorlatban még nem számítanak „terméknek”. Mindezeket azonban szabványos, piacképes gyártmány szinten is elő kell állítani. Ez jelenti az ipari megoldást, a többi megoldás, egyenlőre kísérleti példánynak nevezhető. A másik domináns (és ígéretes) technológia a vékonyréteg napelemek. Tipikus hatásfokuk 8-12%.

Belső rögzítések

A napelemek alapegységekből, napelem cellákból állnak. A cellák nagyon érzékeny eszközök, komoly védelmeket kell kialakítani. A napelemek a különféle terheléseket korlátozott módon viselik el (hőhatás, meleg-nedves terhelések, hideg, mechanikai stress hatások, jégverés, túlfeszültség, stb.,). Ezek mértékét gyártmány és gyártási szabványok rögzítik. A mai napelemek tipikus teljesítménye 240-300 W körül van. Ezek 60-72 cellát tartalmaznak. Az egyes cellákat elektromosan sorosan (és párhuzamosan) összekötik, majd a szerelési folyamatban egy hővel polimerizálódó anyaggal (EVA fólia) rögzítik.

Belső elektromos összeköttetés

A napelem cellák felületére fémező háló (mesh-grid) kerül, ez többnyire ezüst alapú vezető paszta. Ezután az egyes cella felületeket a következő soros cella aljával kötik össze úgynevezett „bus-bar” forrasztható ón vezetékekkel. Korábban két bus-bar (2BB) volt a napelemekben, ma 3-4-5 BB is előfordul (kedvezőbb árameloszlások).

FONTOS! A belső elektromos összekötések milyensége nagymértékben kihat az egész napelem minőségére.

Az így kialakított belső stringek (tipikusan 6 oszlop, 3 db string) párhuzamosan vannak kötve és a külső kivezetésekhez vannak csatolva a kötő dobozban. Az egyes stringeket párhuzamos áthidaló diódák (bypass dióda) védik. Ezek a kivezető dobozban (junction box) vannak.

13 Ábra A by-pass és blokkoló diódák szerepe — A by-pass és blokkoló diódák szerepe

Kivezetések (junction box)

Minden napelemnek két kivezetése van. A napelem külső kivezetései (kábelek), plusz (+) és negatív (-) polaritással rendelkeznek. Ezek a jelölések a kábelen is fel vannak tüntetve (szín vagy egyéb jelölés). A kivezetések a hermetikus kötő-dobozból indulnak, és ők maguk is hermetikusak. A vezetékek végén hermetikus csatlakozók vannak (apa-anya) formában kialakítva. A vezetékek csupasz fémrészeit közvetlenül megérinteni, puszta kézzel nem lehet, ez biztonsági előírás. A csatlakoztatás további, hasonló szabványos csatlakozókkal lehet.

ábra A kötődoboz diódákkal — A kötődoboz diódákkal

A csatlakozás megbízhatóságának kérdése az elektromos iparban kulcsfontosságú.

Ha rossz a csatlakozó, nagy lehet a veszteség, sőt tüzet is okozhat (ívhúzás). A hibás elem megkeresése nehéz. Egy nagyobb napelemes rendszer akár több ezer napelemből állhat, minden napelemnek két kivezetése van, ez akár 10-40’000 csatlakozót is jelenthet. A világon az egyik legjobb csatlakozó gyártó termékeit ma már sokan próbálják utánozni. Ők gyártják az MC4 kompatibilis csatlakozókat. Ezek olcsóbbak, de a minőségük kockázatos. A csatlakozó nem jelentős érték a beruházásban, de nagyon fontos!

Mechanikai és nedvesség elleni védelmek

A napelem külső tokozásának kell, biztosítani a védelmet a külső kémiai, fizikai és mechanikai behatások ellen. A nedvesség elleni védelmet a cellák ragasztása (EVA fólia) biztosítja. Ezt fokozzák az ezt kövező üveg borítások, kettős üvegréteg, vagy üveg a fény felőli oldalon és Tedlar (Teflon) fólia a hátoldalon. Az EVA fólia ragasztási technológiáját pontosan be kell tartani. A meleg-nedves vizsgálatok során ez az egyik leg kritikusabb pont a gyártásban, melyet, a kezdő gyártók sokszor nem tartanak be. (Du-Pont kutató laboratórium megállapításai[11])

Külső rögzítő keret

A külső rögzítő keret (főleg a szelet alapú napelemek esetében használatos) arra szolgál, hogy a napelemet megfelelően tudjuk rögzíteni a tartószerkezeteken. Anyagának, erősnek, stabilnak, időjárás állónak kell lenni. A legjobb megoldás, ha a sarkoknál a keret elemeket összecsavarozzák. Ez már egy magasabb technikai szintet jelent, nem mindenki alkalmazza. Meg is van az eredménye.

Végezetül néhány hasznos tanács: mit szabad és mit ne tegyünk a napelemekkel!