A napelemek hatásfoka

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. Idetartozik 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” szerzett arra vonatkozóan, hogy ennek a tényezőnek értéke az energetikában egynél kisebb. A hatásfok és a hozam fogalmak gyakran összekeverednek, nem csak a napelem-iparban, másutt is, ezért erre külön kitérünk cikkünkben. Jelen írásban megmagyarázzuk és bemutatjuk a kevéssé ismert quantum hatásfokokat is. Véghely Tamás napenergia szakértő Az EU-Solar szakmai tanácsadója

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 h (a görög eta szimbólum). Összetettebb folyamatok esetében „rész hatásfokokat” határozunk meg. Az összhatásfok a részhatásfokok szorzata. Például energiaátalakítási 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, nem csak 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 energiaátalakító eszközök, melyek a Nap fényét alakítják át elektromos árammá (photo-voltaic hatás). A napelemek hatásfokát ezért energiaátalakítás szempontjából szokás meghatározni. A „bejövő paraméter” a napelem felületére érkező fényenergia, a ”kimenő paraméter” a napelem kimenetén mérhető villamos energia. Az energia jellegű egységek méréstechnikája esetében gyakori megoldás, hogy az energiát (teljesítmény x 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.)

1. ábra: Automata napelem végmérő berendezés /napelem nélkül, 2016, Budapest, Greensolar/

2. ábra: A napelem végmérő berendezés adatai grafikus ábrázolásban (a „napelem IV görbéje”)

A KVANTUM (QUANTUM) HATÁSFOK

Amennyiben tudományos igénnyel kívánjuk meghatározni a hatásfokot, akkor segítségül kell hívnunk a félvezető ipar definícióit és eszközeit is. A kvantum (egy mérhető dolog legkisebb mérhető egysége) hatásfok azt a kimeneti áramot jelenti, amely megadott hullámhosszú fotonok besugárzása által keletkezik. Ha a 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 napbesugárzás esetén. A kvantum hatásfok megértése és ismerete azért fontos, mert nem csak 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 (töltéscsatolt) eszközök, IPCE, incident photon converted to electron). Érdemes megjegyezni, hogy a napelemek kvantum hatásfoka mindig kisebb, mint 100%, azaz eff_QE < 1. (Kivételt képez a MEG napelem. Ez esetben a kvantum hatásfok 114% vagy nagyobb is lehet.) 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.

3. ábra: A kristályos szilícium szerkezet külső és belső kvantum hatásfokai.

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 (lásd: 4. ábra).  A különféle félvezetők spektrális válasza.

4. ábra: A napelem-iparban használt technológiák anyagainak hatásfokai.

5. ábra: Különféle félvezetők hatásfoka

6. Ábra. A foton befogásának elméleti sémája a félvezető anyagokban

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 (15-30) történik ez meg, 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.

7. ábra: A „klasszikus” napelem működésének energetikai modellje

8. ábra: A quantum dot – MEG – napelemek működési elve. Jelentős a hatásfok növekedés.

9. ábra: Az egyes technológiák külső (EQE) kvantum hatásfoka

Ha ezt nagy gyakorisággal sikerül megismételni, akkor a hatásfok lényegesen javul (lásd 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).

10. ábra: Az NREL 114%-os MEG napeleme

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 – az adatlapok „korrektsége” éppen ezért megkérdőjelezhető. A napelem cellái sosem egyformák teljesen, a gyártás során osztályozzák, válogatják őket. A napelemben egy „keverék cellahalmaz” 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 – mindig 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).

Hatásfok az élettartam kezdetén = Eff_BOL

Hatásfok az élettartam végén = Eff_EOL

11. ábra: Az NREL által közzétett grafikon, mely a napelemek hatásfokának fejlődését mutatja be, 1975-től (2015-os állapot)[1].

12. ábra: A 9. ábra kinagyított, jobboldali részlete.

 

ENERGIAÁTALAKÍTÁS/-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 kilowattórában 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 kilowattórában megadott éves energiahozamot viszonyítja, a telepített kapacitáshoz, óránkénti 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 hőmérséklet-függést 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!

13. ábra: A főbb technológiák adatai laboratóriumi és gyári mérésekkel bemutatva.

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.

14. ábra: A napelemek I-V jelleggörbéjének tipikus hőmérséklet függése.

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.

15. ábra: A főbb piaci napelem technológiák tipikus Tk értékei. (A gyári adatlapok ettől kismértékben eltérhetnek, de erre figyelni kell.)

Az egyes főbb (kereskedelmi terméket előállító) napelem technológiák paraméter értékeit a nagy nemzetközi laboratóriumok már sokszor és jól bevizsgálták. Amennyiben 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 mennyi 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, akár 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 gigawatt 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).

16. ábra: A hatásfok elméleti határa (egyrétegű, félvezető szilícium)

Amennyiben 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. Ami viszont ma a realitás a piacon, azt a következő ábra mutatja:

17. ábra: Az elmélet, a kutatások és a valóság arányai a hatásfokban.

Az NREL által közzétett ábrából az kiderül, hogy mi a jelen kutatások által elért legjobb eredmény (bordó csík) és az is, hogy mi a gyártási átlag (narancssárga). Fekete szín jelöli az elméletileg elérhető (ezt persze jelen tudásunk szerint kell érteni) hatásfokot. Az űrtechnika ennél lényegesen nagyobb hatásfokokat igényel, itt többrétegű, 40-60%-os napelemeket kell alkalmazni.

KERESKEDELEMI IGÉNYŰ ADATOK

A napelem hatásfokát a kimenetén maximálisan mérhető Pmax villamos teljesítmény és a beeső Pfoto fényteljesítmény hányadosa határozza meg (STC értelmezés szerint):

Imax - a napelem maximális árama (Imp) Umax - a napelem maximális feszültsége (Ump) IR - A napelem rövidzárási árama (Isc) Uü - A napelem üresjárási feszültsége (Uoc) j - a napelem kitöltési tényezője (FF) A napelemekkel elérhető energiahozamot – vagy ennek maximális értékét – több tényező együttesen határozza meg. Amennyiben a piacon, a ma leggyakoribb három fő típust vizsgáljuk, akkor érdekes megállapításra juthatunk. A hatásfokok nagysága szerint a kristályos napelem adná a legnagyobb hozamot, adott idő, például egy év alatt, de ez nem így van. Hosszú idejű terepi mérésekkel alátámasztható, hogy a vékonyréteg a-Si napelemek hozama több. Ennek oka a paraméterek (főleg Tk) eltérése, továbbá az a tény, hogy az a-Si napelemek jobban hasznosítják a szórt (DHI) besugárzást. (Viszont nagyobb felületet igényelnek.)

18. ábra: A fő technológiák hatásfokai (2010 technikai állapot) és a hozamok összefüggései.

A teljes napelem erőműre vonatkozó hozam számítások esetében viszont még ennél is több tényezőt (főleg veszteségek) kell figyelembe vennünk. Cikkünkben áttekintettük a hatásfokok értelmezését, és reméljük eloszlattunk néhány ezzel kapcsolatos súlyos félreértést, tévhitet. Megmagyaráztuk a kvantum hatásfok tényezőit és rámutattunk arra, hogy a hatásfok, a hozam és a hatékonyság egymástól különböző definíciók.

HASZNOS TANÁCSOK

• Alaposan nézzük meg az adatlapot, hogy milyen hatásfok szerepel az adatok között.
• A hatásfok megadásakor illik feltűntetni a mérési körülményeket.
• A hatásfok, hozam, hatékonyság (PR teljesítési tényező) nagyon is eltérő fogalmak!
• Az egyes főbb napelem technológiák (kereskedelmi terméknek számító) paraméter értékeit a nagy nemzetközi laboratóriumok már jól bevizsgálták.
• A „hatásfok hányados”, eredeti fizikai értelmezésében modellként szolgálhat számunkra, hogy a konkrét céljainknak megfelelő mutatókat megalkothassuk.
• A módszerrel, igen hatékony mutatókat tudunk produkálni, de gondosan, értelmesen, célszerűen kell az aránytényezőket megválasztani.
• A tényezők nem megfelelő megválasztásával – az adatok, noha igaznak tűnnek – hamissá válnak.
• A napelem-ipar ma „csak” 24-30% körüli hatásfokú napelemet képes gyártani, de a „felső határ” ma nem látható be pontosan.