Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!
Bevezetés
Előző cikkünkben megpróbáltunk egy általánosan elterjedt tévhitet megmagyarázni, ezért mostani cikkünknek akár a Tévhitek II. alcímet is adhatnák. Sajnos a napenergia iparban több ilyen fogalom is van mely téveszmékkel terhelt. Ide tartozik a hatásfok kérdése is, melyet több fontos tévedés homályosít el. Hatásfok alatt értjük egy berendezés, eszköz, folyamat, rendszer stb., valamely bemeneti és kimeneti jellemzőjének (paraméterének) arányát. Az energetika megértése kapcsán az emberiség „szomorú tapasztalatokat” szerezett arra vonatkozóan, hogy ennek a tényezőnek értéke az energetikában egynél kisebb. Megmagyarázzuk és bemutatjuk a kevéssé ismert quantum hatásfokokat is.
A hatásfok és a hozam fogalmak gyakran összekeverednek, nem csak a napelem iparban, másutt is, ezért erre külön kitérünk cikkünkben.
A hatékonyság és hatásfok alapértelmezése
Tevékenységeink, berendezéseink készítésének egyik fontos célja, hogy hatékonyak legyenek. Ennek mérésére egy dimenzió nélküli mérőszámot is definiált a tudomány.
Hatásfok alatt értjük egy berendezés, eszköz, folyamat, rendszer, stb., valamely bemeneti és kimeneti jellemzőjének (paraméterének) arányát.
Az energetikában szerzett „szomorú tapasztalataink” arra engednek utalni, hogy a:
hányados (eff, efficiency) értéke, egynél kisebb ( H< 1 vagy h<100%). Hatásfok jelölése hivatalosan η (a görög eta szimbólum).
Összetettebb folyamatok esetében „rész hatásfokokat” határozunk meg. Az összhatásfok a részhatásfokok szorzata. Például energia átalakítási folyamatok (erőművek, napelemes energiagyűjtő rendszerek) esetében, az egyes veszteségek hatását részhatásfokkal lehet figyelembe venni. Az ilyen módon számolt hatásfok, azaz összhatásfok, a részhatásfokok szorzatával egyenlő.
A hatékonyság (effectiveness, efficacy), hatásfok (efficiency) és a hozam (yield) fogalmak gyakran összekeverednek, nem csak a napelem iparban, másutt is. Nagyobb (összetettebb) rendszerek esetében a hozam több tényezőtől is függhet, nemcsak az egyes berendezések egyedi hatásfokától. Egy-egy adott szakma, iparág gyakran alkot saját definíciókat a terület hatékonyságának mérésére (pénzügy, statisztika, sport, stb.,).
A napelemek hatásfoka
A napelemek egyszerű, félvezető alapú energia átalakító eszközök, melyek a NAP fényét alakítják át elektromos árammá (photo-voltaic hatás). A napelemek hatásfokát ezért energia átalakítás szempontjából szokás meghatározni. A „bejövő paraméter” a napelem felületére érkező fény energia, a”kimenő paraméter” a napelem kimenetén mérhető villamos energia. Az energia jellegű egységek méréstechnikájában esetében gyakori megoldás, hogy az energiát (teljesítmény * idő) formában határozzák meg, így van ez a napelemek esetében is. Könnyebb (egyszerűbb) teljesítményt és időt mérni, mint energiát. A földre érkező besugárzási energiát is (napállandó, 1360,8 W/m2 TSI mérések, 2011) W/m2 –ben szokás megadni. A napelem gyártók a napelem kibocsátása előtt „végmérésnek” vetik alá a napelemeket. A mérés során egy adott „spektrumú” fényforrással világítják meg a napelemet egy mérőkamrában (lásd 1. és 2. Ábra) és mérik a kimeneti egyenáramot és egyenfeszültséget. Ezek lesznek majd a napelem adatlapján a Wpeak, Voc, Vmp és Isc, Imp értékek (teljes karakterisztika lemérése). Mivel a mérőegység fényforrásának spektruma nem azonos a NAP sugárzási spektrumával, ezért ez az érték csak közelítő. (Megjegyzés: A napelemek gyártástechnológiájának egyik neuralgikus kérdése éppen ezért a végmérések technikai és minőségellenőrzési problémája.)
A kvantum (Quantum) hatásfok
Ha tudományos igénnyel kívánjuk meghatározni a hatásfokot, akkor segítségül kell hívnunk a félvezető ipar definícióit és eszközeit is.
A kvantum hatásfok azt a kimeneti áramot jelenti, amely megadott hullámhosszú fotonok besugárzása által keletkezik. Ha kvantum hatásfokot integráljuk a teljes elektromágneses spektrumra, akkor tulajdonképpen az előző méréshez hasonló helyzetet kapunk. Azzal a megjegyzéssel, hogy ez a lehetséges legnagyobb hatásfok melyet a napelem cella fel tud mutatni nap besugárzás esetén.
A kvantum hatásfok megértése és ismerete azért fontos, mert nemcsak az lényeges, hogy megfelelő „fény” érkezzen a felületre (spektrum, intenzitás), de az is, hogy a félvezető anyag felülete és szerkezete képes legyen olyan fotonok befogására, melyek gerjeszteni tudják az atomhéjakat, mert csak ebből lesz áram (CCD eszközök, IPCE, incident photon converted to electron).
Érdemes megjegyezni, hogy a napelemek kvantum hatásfoka mindig kisebb, mint 100%, azaz eff_QE < 1.
Kétféle kvantum hatásfokot különböztetünk meg. Külső (EQE, external quantum efficiency) és belső (IQE, internal quantum efficiency) kvantum hatásfokokat.
A külső kvantum hatásfok esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a beérkezett fotonok számával.
A belső kvantum hatásfok esetében a „hatásfok hányadosunk” a keletkezett elektronok (töltések) száma, osztva a ténylegesen elnyelt fotonok számával.
Különféle félvezető anyagok és szerkezetek különbözőképpen képesek a fotonok befogására. Az alábbi ábrákon (4.-5. Ábrák) nyomon követhetjük, azt, hogy miért éppen azok az anyagok szerepelnek a napelemek gyártásában, amelyek kiválasztásra kerültek. 4. Ábra. A különféle félvezetők spektrális válasza.
Jelölések:
Ec- vezető energetikai sáv (electron volt)
Ev- vegyérték (valencia sáv)
A fotonok optimális befogása csak adott feltételek esetében lehetséges (a tiltott sávnál nagyobb energia). A beérkező energia javarésze többnyire elvész, mert ez a feltétel nem teljesül. Intenzív kutatások folynak az átalakítási (befogási) hatásfok növelésére. Az elnyelt foton gerjeszti a félvezető anyag elektronhéját és a folyamatban elektron-lyuk párok, azaz EXCITONOK keletkeznek. Sajnos 100 fotonból csak néhány esetben történik ez meg (15-30), ezért a jelenlegi napelemek hatásfoka – bár sokat fejlődött a technika – a kívánthoz képest alacsony.
Az ütközéses ionizációval lehetséges a hatásfok lényeges megnövelése. Ennek lényege, hogy egy foton nem egy exciton párt gerjeszt, hanem egynél többet.
Ha ezt nagy gyakorisággal sikerül megismételni, akkor a hatásfok lényegesen javul (6. Ábra), akár 100% körüli is lehet (2002-2004 alap kutatások). A jelenséget (114%-os napelem előállítása) kísérleti szinten is igazolták az NREL kutatói (2012-2013).
A klasszikus fizika nem ismeri el az 1-nél nagyobb hatásfokok létezését (érthetően energetikai megfontolások miatt), de ha a fogalmat tágabb értelemben kezeljük, akkor számos példát látunk (társadalmi és fizikai-technikai szinten is) erre. Gondoljunk csak a „fotoelektron sokszorozóra”, amely esetében, egy belépő fotonból több millió kilépő foton keletkezik. Vagy akár hőszivattyú jósági tényezőjére (COP) mely szintén akkor jó, ha értéke 3-nál nagyobb.
Cella hatásfok, napelem hatásfok
A napelem cella ugyan a napelem elemi építőegysége, mégsem tekinthetjük a cella hatásfokát azonosnak a napelem hatásfokával, holott ezt több gyártó megteszi (adatlapok korrektsége ezért megkérdőjelezhető). A napelem cellái sosem egyformák teljesen, a gyártás során osztályozzák, válogatják őket. A napelemben egy „keverék cella halmaz” van, Grade-A, Grade-B, Grade-C, stb., minőségek. A cellák belső soros és párhuzamos kötéseiből adódik, hogy az áramokat a legnagyobb ellenállás fogja meghatározni (legszűkebb keresztmetszet, a legrosszabb cella) ugyanúgy, mint az ellenállások soros és párhuzamos kötése esetében (Kirchoff I és II. törvényei).
Ezért a napelem hatásfoka -mivel több soros/párhuzamos cella eredője – midig kisebb, mint a cellák hatásfoka!
Bizonyos adatlapok kis „csúsztatással” a cellák átlag hatásfokát adják meg, ami félrevezető.
A napelemek öregedésével együtt a hatásfok is „öregszik”, többnyire gyengül. Ezért a részletesebb elemzések megkülönböztetik az élettartam kezdeti hatásfokát (BOL, Begin of life), és az élettartam végén mérhető hatásfokot (EOL, End of Life)
Efficiency, Performance ratio PR
Energia átalakítás/hozam - PR – és a hatásfok összefüggése
A napelemes energiaátalakítás egy sok elemből álló rendszerrel történik. Bennünket elsősorban az érdekel (főleg a megtérülés miatt), hogy egy adott nagyságú befektetéssel, mekkora hozamot kapunk kWh –ban mérve. Ezért érdemes egy újabb – de hasonló – mérőszámot bevezetni a hatékonysági vagy teljesítési tényezőt. Az angol szakirodalom ezt PR (performance ratio) jelöléssel látta el. (Többféle PR értelmezés is létezik.)
A CF jelölés értelmezése - kapacitás tényező
További, hatásfok jellegű tényező a kapacitás („hozam kapacitás”). A kWh-ban megadott éves energiahozamot viszonyítja, a telepített kapacitáshoz, óránként súlyozásban (egy év=8760 óra)
Ideális körülmények esetében
A korábbiakban elmondottak elsősorban szabályozott laboratóriumi (STC, PTC) vagy adott gyártási körülményekre vonatkoztak.
Ám a valós életben szinte soha nincsenek ideális körülmények. Az egyik jelentős befolyásoló tényező a működési hőmérséklet (STC, NOCT). A napelemek paraméterei jelentős hőmérsékletfüggést mutatnak. Ezért fontos az MPPT szolgáltatást (maximum power point tracking) nyújtó inverterek használata, mert ekkor a mindenkori lehető legjobb beállításokat keresi meg a rendszer.
A 13. Ábrán, (táblázatban) bemutatjuk a jelenleg kereskedelmi forgalomban lévő napelemek jellemző hatásfokait a laboratóriumban és a gyártósoron mért adatok összehasonlításával!
(Megjegyzés: a gyári mérések pontossága többnyire max. 5%. A laboratóriumok ennél lényegesen pontosabban 2%-alatt, mérnek, és a mérési körülmények is gondosabbak, szabályozottak, pl. megvilágítás, hőmérséklet, stb., ezért az értékek magasabbak lehetnek.)
Fontos itt megjegyezni, hogy az összes napelem technológiában a hőmérséklet függés negatív és eléggé meredeken csökken, (azaz a Tk érték negatívok) de a vékonyréteg technológiák esetében ez a csökkenés kisebb. Az energiahozamok esetében, ez lényeges hozam különbségeket is eredményezhet, mint ezt később látni fogjuk.
A következő ábra a főbb piaci napelem technológiák Tk (Tc, Temperature coefficient) értékeit mutatja be.
Az egyes főbb (kereskedelmi terméket előállító, ☺) napelem technológiák paraméter értékeit a nagy nemzetközi laboratóriumok sokszor és jól bevizsgálták. Ha a gyári adatlapok ettől lényegesen eltérnek, éljünk gyanúval az adathelyesség tekintetében.
Elméleti számítások
A napenergia témaköre annyira fontos, és meghatározó tényező (lehet, de szinte biztos!), az emberiség további tartós létezésében, hogy neves tudósok sok energiát fektettek annak tisztázásába, hogy vajon mi az a legtöbb energia, amit ki tudnánk nyerni a napból, és milyen eszközökkel lehetséges ez.
A napenergia ipar ma sok kritikát kap az ellenzőitől.
A kritikák tárgya többnyire az, hogy az energiasűrűsége kicsi (híg energia), a Nap csak nappal süt, rövid az élettartam (10-20 év, mely nyilván nem igaz!), kicsi a hatásfok. (Mi, a napenergia támogatói is tudnánk elég sok, ennél jobban helytálló kritikát megfogalmazni más energiaforrásokkal szemben, de nem tesszük. Tudásunkban bízva türelmesek vagyunk, míg az idő igazol bennünket).
Tudjuk, hogy a növények napenergia hasznosítása lényegesen jobb, mint a napelemeké, elérheti a 70-80%-ot is. (Calvin ciklus). Bizonyos napelemes alapkutatások ezért „elkalandoznak” olyan területekre is mely az élő anyag és élettelen technológia összevonásával végzi az energiaátalakítást. Az első kísérletek nagyon bíztatóak, jó hír, hogy az élő természet hajlandó együttműködni az emberrel!
A napenergia közvetlen termikus hasznosítása (kollektor) is hatékony, 40-60%-os hatásfokokat is el lehet érni. Érdekes az úgynevezett STE (Solar Thermal Electricity) technológia mely során a termikus módszerekkel befogott energiából, villamos áramot készítünk „hagyományos” turbinás megoldásokkal. A jelenleg futó kísérleti megoldások (Ivanpah USA, CA, Israel, Negev, Weizmann intézet, Austrália) sikeresek, a technológia akár GW nagyságrendű napenergia erőműveket is ígér.
Shockley-Quessier limit
Az emberiség technika történelmében jelenleg a félvezető alapú napelemek sorozatgyártása folyik viszonylag nagyobb tételben. A világtermelés most (2021) mintegy 100-110 GW körül várható (kisebb visszaesés észlelhető, a vírus miatt).
Ezen típusú napelemek elméletileg lehetséges legnagyobb hatásfokára többféle számítás is készült. Az egyik legjobb számítás a Shockley – Quessier féle megoldás.
E szerint a maximális hatásfok (egyrétegű kristályos Si cella.) 30% (1 eV-nál). A későbbiekben ezt módosították 33,7% értékre (1,34 eV).
Ha viszont az egyéb lehetőségeket is figyelembe veszünk (több nap értékű besugárzás, többrétegű napelem cella, GaAs vagy egyéb anyagok) akkor a hatásfok a 86,8%-ot is elérheti.
1 https://en.wikipedia.org/wiki/Efficiency 2021
2 https://hu.wikipedia.org/wiki/Hat%C3%A1sfok 2021
3 https://en.wikipedia.org/wiki/Efficiency_(disambiguation); https://en.wikipedia.org/wiki/Efficiency 2021
4 https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_constant#Historical_measurements 2021
5 Egy mérhető dolog legkisebb mérhető egysége
6 CCD eszköz – töltéscsatolt eszköz
7 Kivételt képez a MEG napelem. Ez esetben a kvantum hatásfok 114% vagy nagyobb is lehet.
8 Érdekesség: A legelső napelem mintegy 2,5%--os volt, 1954, RCA laboratórium
9 Erről egy későbbi cikkünkben fogunk beszámolni.
