Napelemek típusai: a szerkezetek összehasonlító áttekintése és tanácsok a panelek kiválasztásához

Az alternatív energetika Európában a legnagyobb mértékben fejlődik, eredményeivel bizonyítva ígéretes voltát. Új napelemfajták jelennek meg, és nő a hatékonyságuk.

Ha napenergiával szeretné ellátni egy ipari épület vagy lakótér működését, először tájékozódnia kell a berendezések közötti különbségekről, és meg kell értenie, mely napelemek felelnek meg az adott régió éghajlati feltételeinek.

Segítünk eligazodni ebben a kérdésben. A cikkben áttekintjük a fotoelektromos átalakítók működési elvét, bemutatjuk a különböző napelemfajtákat, feltüntetve jellemzőiket, előnyeiket és hátrányaikat. Miután elolvasta az anyagot, megfelelő döntést hozhat a hatékony napenergia-rendszer kiépítéséhez.

A napelemek működési elve

A napelemek túlnyomó többsége fizikai értelemben fotoelektromos átalakító. Az áramtermelő hatás a félvezető p-n átmeneténél jön létre.

A napelemek önköltségének alapját a szilíciumlapkák adják, de ha éjjel-nappal áramforrásként kívánjuk használni őket, drága akkumulátorokat is be kell szerezni.

A panel két, eltérő tulajdonságú szilíciumlemezből épül fel. Fény hatására az egyikben elektronhiány, a másikban elektronfelesleg lép fel. Mindegyik lemez réz áramelvezető csíkokkal van ellátva, amelyek a feszültségátalakítóhoz csatlakoznak.

Az ipari napelem számos laminált fotoelektromos cellából tevődik össze, melyeket egymáshoz rögzítenek, és hajlékony vagy merev hordozóra erősítenek.

A hatékonyság nagymértékben a szilícium tisztaságától és a kristályok orientációjától függ. Az elmúlt évtizedekben a mérnökök e paraméterek javítására törekedtek. A legfőbb nehézséget azonban a szilícium tisztításának és a kristályoknak a panel egészén egy irányba rendezésének magas költsége jelenti.

Évente a különböző napelemek maximális hatásfoka növekszik, mert milliárd dollárokat fektetnek be új fotovoltaikus anyagok kutatásába (+)

A fotoelektromos átalakítók félvezetői nemcsak szilíciumból, hanem más anyagokból is készülhetnek – a napelem működési elve eközben nem változik.

A fotoelektromos átalakítók típusai

Az ipari napelemeket szerkezeti sajátosságaik és a működő fotoelektromos réteg típusa szerint osztályozzák.

Az eszköz típusa szerint a következő napelemfajtákat különböztetjük meg:

• hajlékony panelek;
• merev modulok.

A hajlékony vékonyfilmes panelek fokozatosan egyre nagyobb piaci rést hódítanak meg, köszönhetően szerelési sokoldalúságuknak, hiszen a legtöbb, változatos építészeti formájú felületre telepíthetők.

A napelemek valós teljesítménye álatalában alacsonyabb, mint ami az utasításban szerepel. Ezért otthoni telepítés előtt érdemes saját szemünkkel is megnézni egy hasonló, megvalósult projektet.

A napelemek a müködő fotoelektromos réteg típusa szerint a következő változatokra oszthatók:

1. Szilícium alapúak: monokristályos, polikristályos, amorf.
2. Tellúr-kadmium alapúak.
3. Indium-réz-gallium-szelenid alapúak.
4. Polimer alapúak.
5. Szerves alapúak.
6. Gallium-arzenid alapúak.
7. Kompozit és többrétegű.

A napelemek nem minden típusa érdkes a széles fogyasztói kör számára, csupán az első két kristályos altípus.

Bár néhány más típusú panel nagyobb hatásfokkal rendelkezik, magas áruk miatt nem terjedtek el széles körben.

A szilícium alapú fotovoltaikus elemek meglehetősen érzékenyek a hőre. Az elektromos áramtermelés mérésének alaphőmérséklete 25°C. Ennek egy fokkal való emelkedése esetén a panelek hatékonysága 0,45-0,5%-kal csökken.

Ezután részletesen tárgyaljuk azokat a napelemeket, amelyek a legnagyobb fogyasztói érdeklődésre tartanak számot.

A szilícium alapú panelek jellemzői

A napelemekhez használt szilíciumot kvarchomokból – őrölt kvarc kristályokból – állítják elő. A legnagyobb nyersanyag lelőhelyek Nyugat-Szibériában és a Középső Urálban találhatók, így a napenergia ezen ágának kilátásai gyakorlatilag korlátlanok.

Mára a kristályos és amorf szilícium panelek már a piac több mint 80%-át teszik ki. Ezért érdemes őket részletesebben megvizsgálni.

Monokristályos szilícium panelek

A modern monokristályos szilícium lapok (mono-Si) egyenletes sötétkék színűek a teljes felületükön. Előállításukhoz a legtisztább szilíciumot használják. A monokristályos fotovoltaikus elemek az összes szilícium lap közül a legmagasabb árat képviselik, de a legjobb hatásfokot is biztosítják.

A nagy monokristályos napelemek forgató mechanizmusokkal tökéletesen illeszkednek a sivatagi tájakba. Ott biztosítottak a maximális teljesítmény feltételei.

A magas előállítási költség annak tudható be, hogy az összes szilíciumkristályt egy irányba kell orientálni. A munkaréteg ilyen fizikai tulajdonságai miatt a maximális hatásfok csak akkor érhető el, ha a napsugarak merőlegesen esnek a lap felületére.

A monokristályos napelemek további berendezést igényelnek, amely a nap folyamán automatikusan elforgatja őket, hogy a panelek síkja minél jobban merőleges legyen a napsugarakra.

Az egyőldalúan orientált kristályokkal rendelkező szilíciumrétegeket hengeres fémtömbből vágják ki, ezért a kész fotovoltaikus blokkok lekerekített sarkú négyzet alakúak.

A monokristályos szilícium napelemek előnyei közé tartozik:

1. Magas hatásfok, 17-25%-os értékkel.
2. Komppakiság – kisebb berendezés elhelyezési terület egységnyi teljesítményre vetítve, a polikristályos szilícium panelekhez képest.
3. Tartósság – elegendő villamosenergia-termelési hatékonyság akár 25 évig biztosított.

Az ilyen napelemeknek mindössze két hátránya van:

1. Magas költség és hosszú megtérülési idő.
2. Szennyeződésre való érzékenység. A por szórja a fényt, ezért a beporosodott napelemek hatásfoka drasztikusan csökken.

Az egyenes napfény iránti igény miatt a monokristályos napelemeket főként nyílt területeken vagy magasban telepitik. Minél közelebb van a terület az egyenlítőhöz, és minél több napos nap van, annál előnyösebb pontosan ezt a típustú fotovoltaikus elemet telepíteni.

Polikristályos napelemek

A polikristályos szilíciumpanelek (multi-Si) egyenetlen intenzitású kék színűek a kristályok eltérő orientációja miatt. Az előállításukhoz használt szilícium tisztasága valamivel alacsonyabb, mint a monokristályos társaiké.

A kristályok sokirányúsága magas hatásfokot biztosít szórt fényben – 12–18%. Ez alacsonyabb, mint az egyirányú kristályoké, de felhős időben ezek a panelek hatékonyabbak.

Az anyag inhomogenitása a szilícium előállítási költségeinek csökkenéséhez is vezet. A polikristályos napelemekhez használt tisztított fémet különösebb trükkök nélkül öntik formákba.

A gyártás során speciális technikai eljárásokat alkalmaznak a kristályok kialakítására, de azok irányultságát nem szabályozzák. Lehűlés után a szilíciumot rétegekre vágják, és egy speciális algoritmus szerint kezelik.

A polikristályos panelek nem igényelnek állandó tájolást a nap felé, ezért elhelyezésükhöz aktívan használják a házak és ipari épületek tetejét.

Nappal, enyhe felhőzet esetén az amorf szilícium napelemek előnyei nem lesznek észrevehetők; azok csak sűrű felhők vagy árnyék esetén mutatkoznak meg (+).

A sokirányú kristályokkal rendelkező napelemek előnyei közé tartozik:

1. Magas hatékonyság szórt fényviszonyok között.
2. Helyhez kötött telepítés lehetősége épületek tetején.
3. Alacsonyabb költség a monokristályos panelekhez képest.
4. Hosszú üzemeltetési időtartam – a hatékonyság csökkenése 20 év használat után mindössze 15–20%.

A polikristályos paneleknek hátrányai is vannak:

1. Csökent hatékonyság<;stong> 12-18%-es értékel.
2. Relatív terjedelmeség – egységnyi teljesítményre számítva nagyobb telepítési tér igényel a monokristályos társaikhoz képest.

A polikristályos napelemek egyre nagyobb piaci részesedést hódítanak el a többi szilícium alapú akkumulátor között. Ezt az előállítási költségük csökkentésének széles körű lehetőségei biztosítják. Évente növekszik az ilyen panelek hatásfoka is, amely a tömegtermékek esetében rohamosan közelít a 20%-hoz.

Amorf szilícium napelemek

Az amorf szilíciumból készült napelemek gyártási mechanizmusa alapvetően különbözik a kristályos fotovoltaikus elemek előállításától. Itt nem tiszta nemfémet használnak, hanem annak hidridjét, amelynek forró gőzeit egy hordozóra csapják le.

E technológia eredményeként klasszikus kristályok nem képződnek, és a gyártási költségek drasztikusan csökkennek.

A leválasztott amorf szilíciumból készült fotocellák rögzíthetők hajlékony polimer hordozóra, valamint merev üveglapra is.

Jelenleg már három generációja létezik az amorf szilícium paneleknek, amelyek mindegyikében jelentősen nő a hatásfok. Ha az első fotovoltaikus modulok hatékonysága 4-5% volt, addig most a második generációs modellek 8-9%-os hatásfokkal kerülnek tömeges forgalomba.

A legújabb fejlesztésű amorf panelek hatékonysága eléri a 12%-ot, és már megjelennek a piacon, de még mindig meglehetősen drágák.

A gyártástechnológia sajátosságainak köszönhetően a szilíciumréteg létrehozható merev és hajlékony hordozón egyaránt. Emiatt az amorf szilícium modulokat aktívan használják hajlékony vékonyrétegű napelem modulokban. A rugalmas hordozós változatok azonban sokkal drágábbak.

Az amorf szilícium fizikai-kémiai szerkezete lehhetővé teszi a gyenge szórt fény fotonjainak maximális elnyelését az elektromos áram termelése érdekében. Ezért ezek a panelek alkalmasak a nagy szabad területekkel rendelkező északi régiókban való használatra.

Az amorf szilícium alapú napelemek hatékonysága magas hőmérsékleten sem csökken, bár e tekintetben alulmaradnak a gallium-arzenid panelekkel szemben.

Azonos berendezésköltség mellett a szilícium-hidridből készült napelemek nagyobb teljesítményt mutatnak, mint mono- és polikristályos társaik (+).

Összefoglalva, az amorf napelemek előnyei a következők:

1. Sokoldalúság – lehetőség hajlékony és vékony panelek gyártására, napelemek felszerelésére bármilyen építészeti formára.
2. Magas hatásfok szórt fényben.
3. Stabil működés magas hőmérsékletén.
4. Egyszerű és megbízható szerkezet. Az ilyen panelek gyakorlatilag nem törnek el.
5. Működőképesség megőrzése nehéz körülmények között – kisebb teljesítménycsökkenés felületi porosodás esetén, mint a kristályos társaiknál.

Az ilyen fotovoltaikus elemek élettartama a második generációtól kezdve 20-25 év, 15-20%-os teljesítménycsökkenés mellett. Az amorf szilícium panelek hátrányai közé csupán a szükséges teljesítményű berendezések elhelyezéséhez szükséges nagyobb területigény sorolható.

Nem szilícium alapú eszközök áttekintése

Egyes napelemek, amelyek ritka és drága fémek felhasználásával készülnek, több mint 30%-os hatásfokkal rendelkeznek. Ezek sokszor drágábbak szilíciumos társaiknál, de mégis elfoglalták a high-tech kereskedelmi rést, köszönhetően különleges tulajdonságaiknak.

Ritkafémekből készült napelemek

Többféle ritkafém napelém létezik, és nem mindegyik hatásfoka magasabb, mint a monokristályos szilícium moduloké.

Az extrém körülmények közötti munkavégzés képessége azonban lehetővé teszi az ilyen napelemek gyártói számára, hogy versenyképes termékeket gyártsanak és további kutatásokat végezzenek.

A kadmium-tellurid paneleket aktívan használják épületek burkolására az egyenlítői és arábiai országokban, ahol a felületük napközben 70-80 fokra melegszik.

A fotoelektromos elemek gyártásához használt fő ötvözetek a kadmium-tellurid (CdTe), az indium-gallium-réz-szelenid (CIGS) és az indium-réz-szelenid (CIS).

A kadmium mérgező fém, az indium, a gallium és a tellúr pedig meglehetősen ritkák és drágák, ezért az ezeken alapuló napelemek tömeggyártása még elméletileg sem lehetséges.

Az ilyen panelek hatásfoka 25-35% körül van, bár kivételes esetekben elérheti a 40%-ot is. Korábban főleg az űriparban használták őket, mostanában azonban egy új, ígéretes irány jelent meg.

A ritkafém fotoelemek stabil működése miatt 130-150°C hőmérsékleten napelemes hőerőművekben használják őket. A nap sugarait tucatnyi vagy több száz tükör koncentrálja egy kis panelre, amely egyszerre termel elektromos áramot és biztosítja a hőenergia átadását egy víz-hőcserélőnek.

A víz felmelegítése következtében gőz képződik, amely turbinát forgat és elektromos áramot termel. Így a napenergia két úton, maximális hatékonysággal alakul át elektromos energiává.

Polimer és organikus alternatívák

A szerves és polimer vegyületeken alapuló fotovillamos modulokat csak az elmúlt évtizedben kezdték fejleszteni, de a kutatók már jelentős sikereket értek el. A legnagyobb előrelépést a Heliatek európai vállalat mutatja, amely már több magas épületet szerelt fel szerves napelemekkel.

Az HeliaFilm típusú tekercses fóliaszerkezetének vastagsága mindössze 1 mm.

A polimer panelek gyártásához olyan anyagokat használnak, mint a szén-fullerének, réz-ftalocianin, polifenilén és mások. Az ilyen fotoelemek hatásfoka már eléri a 14-15%-ot, és az előállítási költség töredéke a kristályos napelemekének.

Élesen felmerül a szerves munkaréteg lebomlási idejének kérdése. Egyelőre nem lehetséges megbízhatóan megerősíteni a hatásfok szintjét néhány éves üzemeltetés után.

A szerves napelemek előnyei a következők:

• környezetbarát ártalmatlanítás lehetősége;
• olcsó előállítás;
• rugalmas szerkezet.

Az ilyen fotoelemek hátrányai közé tartozik a viszonylag alacsony hatásfok és a panelek stabil működési idejére vonatkozó megbízható információk hiánya. Lehetséges, hogy 5-10 év múlva a szerves napelemek minden hátránya eltűnik, és komoly versenytársai lesznek a szilícium paneleknek.

Melyik napelemet válassza?

A napelemek kiválasztása a 45-60° szélességi fokon lévő vidéki házakhoz nem nehéz. Itt csak két lehetőséget érdemes figyelembe venni: a polikristályos és a monokristályos szilícium paneleket.

Helyhiány esetén érdemes előnyben részesíteni a hatékonyabb, egyirányú kristályorientációjú modelleket, korlátlan terület esetén pedig polikristályos panelek vásárlása javasolt.

Nem érdemes a napelem-piaci fejlődést elemző cégek előrejelzéseire hagyatkozni, hiszen a legjobb modelljeiket talán még nem is találták fel.

A konkrét gyártó, a szükséges teljesítmény és a kiegészítő berendezések kiválasztását érdemes az ilyen berendezések értékesítésével és telepítésével foglalkozó cégek menedzsereinek közreműködésével végezni. Tudni kell, hogy a legnagyobb gyártók fotovoltaikus moduljainak minősége és ára alig különbözik.

Figyelembe kell venni, hogy kulcsrakész berendezés-csomag rendelésekor maguk a napelemek ára csupán a teljes összeg 30-40%-át teszi ki. Az ilyen projektek megtérülési ideje 5-10 év, és függ az energiafogyasztás szintjétől, valamint a felesleges villamos energia városi hálózatba történő értékesítésének lehetőségétől.

Egyes mesteremberek szívesebben szerelik össze saját kezűleg a napelemeket. Weboldalunkon találhatók cikkek, amelyek részletesen leírják az ilyen panelek gyártási technológiáját, csatlakoztatását és a fűtési naprendszerek kialakítását.

Javasoljuk, hogy tekintse meg:

1. Hogyan készítsen napelemet saját kezűleg: útmutató az önálló összeszereléshez
2. Napenergiás fűtési rendszerek: a heliorendszerekre épülő fűtés kiépítésének technológiáinak áttekintése
3. Napelemek bekötési rajza: a vezérlőhöz, az akkumulátorhoz és a kiszolgált rendszerekhez

Következtetések és hasznos vidéó a témából

A bemutatott videók különböző napelemek működését mutatják be valós körülmények között. Emellett segítenek eligazodni a kiegészítő berendezések kiválasztásának kérdéseiben.

A napelemek és a kiegészítő berendezések kiválasztásának szabályai:

A napelemek típusai:

Monokristályos és polikristályos panelek tesztelése:

A lakosság és a kis ipari létesítmények számára jelenleg nincs valódi alternatívája a kristályos szilícium paneleknek. Az új típusú napelemek fejlesztésének üteme azonban reményt ad arra, hogy hamarosan a napenergia lesz a fő áramforrás sok vidéki házban.

Mindenkit, aki érdeklődik a napelemek kiválasztása és használata iránt, arra bátorítjuk, hogy hagyjon megjegyzéseket, tegyen fel kérdéseket és vegyen részt a megbeszélésekben. A kapcsolatfelvételi űrlap az alsó blokkban található.