A napelem működési elve: hogyan épül fel és működik a napelem

A nap ingyenes sugarainak hatékony átalakítása energiává, amely felhasználható lakóépületek és egyéb objektumok áramellátására, sok zöldenergia-hívő dédelgetett álma.

Azonban a napelem működési elve és hatásfoka olyan, hogy ezeknek a rendszereknek a magas hatékonyságáról egyelőre nem beszélhetünk. Jó lenne saját kiegészítő áramforrással rendelkezni. Nem igaz? Annál is inkább, mert már ma is Oroszországban napkollektorok segítségével „ingyenes” villamos energiával sikeresen ellátnak számos magánháztartást. Még mindig nem tudja, hol kezdje?

Az alábbiakban elmondjuk Önnek a napelem felépítését és működési elvét, megtudhatja, mitől függ a napenergia-rendszer hatékonysága. A cikkben található videók pedig segítenek saját kezűleg összeállítani a napelemet fotoelemekből.

Napelemek: terminológia

A „napenergia” témakörében rengeteg árnyalat és zavar található. Gyakran a kezdőknek kezdetben nehéz eligazodni az ismeretlen szakkifejezések között. De enélkül a napenergia felhasználásával foglalkozni, megvásárolva az áramtermelő berendezést a „napáram” előállításához, nem ésszerű.

A tudás hiányában nemcsak nem megfelelő panelt választhat, hanem egyszerűen el is égetheti a csatlakoztatás során, vagy túl kevés energiát nyerhet ki belőle.

Először tisztázni kell a napenergia-berendezések meglévő változatait. A napelemek és a napkollektorok két alapvetően különböző eszköz. Mindkettő a nap sugarainak energiáját alakítja át.

Az első esetben azonban a fogyasztó elektromos energiát kap, a másodikban pedig hőenergiát fűtött hőhordozó formájában, vagyis a napelemeket a ház fűtésére használják.

A napelem maximális teljesítményét csak akkor érhetjük el, ha tudjuk, hogyan működik, milyen alkatrészekből és egységekből áll, és hogyan kell mindezt helyesen bekötni.

A második finomság magának a „napelem” kifejezésnek az értelmezése. Általában az „akkumulátor” szó alatt valamilyen elektromos energiát tároló eszközt értünk. Vagy egy egyszerű fűtőradiátor jut eszünkbe. A napelemek esetében azonban a helyzet gyökeresen más. Nem tárolnak magukban semmit.

A napelem egyenáramot termel. Ahhoz, hogy azt váltóárammá (a háztartásban használt) alakítsuk, az áramkörben inverternek kell lennie.

A napelemek kizárólag elektromos áram termelésére szolgálnak. Az áram viszont az éjszakai áramellátás céljából, amikor a nap a horizont alá süllyed, a tárgy energiaellátási rendszerében jelen lévő akkumulátorokban tárolódik.

Az „akkumulátor” itt egynemű alkatrészek összességét jelenti, amelyek egy egységes egészbe vannak összefoglalva. Valójában ez csupán egy panel, amely több azonos fotovillamos elemből áll.

A napelem belső felépítése

A napelemek fokozatosan egyre olcsóbbak és hatékonyabbak lesznek. Ma már használják akkumulátorok töltésére utcai lámpákban, okostelefonokban, elektromos autókban, magánházakban és a világűrben lévő műholdakon. Már teljes értékű naperőműveket (NER) is építenek belőlük, nagy termelési mennyiségekkel.

A napelem számos fotovillamos elemből (fotovillamos átalakítóból, FÁ) áll, amelyek a nap fotonjainak energiáját elektromos energiává alakítják.

Minden napelem úgy van felépítve, mint egy blokk, amely n számú modulból áll, amelyek sorba kapcsolt félvezető fotocellákat egyesítenek. Ahhoz, hogy megért sük egy ilyen napelem működési elveit, meg kell ismerni a napelemes szerkezet ezen végső láncszemének, a félvezető alapján létrehozott egységnek a működését.

A fotoelemek kristályfajtái

Rendkívül sokféle napelem létezik, amelyek különböző kémiai elemekből készülnek. Ezek nagy része azonban korai fejlődési szakaszban van. Ipari méretekben jelgenleg csak szilícium alapú fotocellákól álló paneleket gyártanak.

A szilícium félvezetőket a napelemek gyártásában használják alacsony áruk miatt, de nem büszkélkedhetnek kúlönősen magas hatásfokkal.

A napelem soksásos fotocellája egy vékony lemez, amely két szilíciumrétegőből áll, amelyek mindegyike sáját fizikai tulajdonságokkal rendelkzik. Ez egy klaszikus félvezető p-n-átmenet elektorn-lyuk párokal.

Amikor fotonok érik a napelemet, a félvezető rétegei között a kristály nem egyenlletessége miatt kapu fotó-elektromotő keletkezik, aminek következtében potenciálkülönbség és elektronáram jön létre.

A szilícium fotocella-lemezek a gyártási technológiájuk alapján a kővetkezőkre ószthatók:

1. Monókristályossak.
2. Polikristályossak.

Az elsők magasabb hatásfokkal rendelkeznek, de gyártási költsegük ís magasabb, mint a másodiké. Külsőre a napelemen az egyik variánst a másiktól alakja alapján lehet megkülönböztetni.

A monokristályos FEP-ek homogén szerkezetűek, és levágott sarkú négyzetek formájában készülnek. Ezzel szembe a polikristályos eket szigorúan négyzet alakúak.

A polikristályok az oldvadt szilícium fokozatos lehűtésével jönnek létre. Ez a módszer rendkívül egyszerű, ezért a ilyen fotocellák olcsók.

De a napfényből törtenő villamosenergia-termelés hatásfoka ritkán haladja meg a 15%-ot. Ez az előállított szilíciumlemezek 'tisztátalanságának' és belső szerkezetének köszönhető. Minél tisztább a szilícium p-rétege, annál magasabb a belőle készült FEP hatásfoka.

A monokristályok tisztasága e tekintetben sokkal magasabb, mint a polikristályos társaiké. Nem oldvadt szilíciumból, hanem mesterségesen természtett tömoer szilíciumkristályból készülnek. Az ilyen FEP-ek fotovillamos átalakítási együtthatója már eléri a 20-22%-ot.

Az egyes fotocellák egy közös modulba, alumínium keretre vannak szerelve, és védelem céljából felülről erős üveggel fedik le, amely egyáltalán nem akadályozza a napsugarakat.

A nap felé fordított felső réteg ugyanabból a szilíciumból készül, de foszfor hozzáadásával. Ez utóbbi lesz a többletelektronok forrása a p-n-átmenet rendszerében.

A napenergia halznosításában igazi áttörést jelentett a rugalmas panelek kifejlesztése amorff fotovillamos szilíciummal:

A napelem működési elve

Amikor a napsugarak a fotocellára esnek, benne nem egyensúlyi elektron-lyuk párok generálódnak. A többletelektronok és a 'lyukak' részben átjutnak a p-n-átmeneten az egyik félvezető rétegből a másikba.

Ennek eredményeként a külső áramkörben feszültség jelenik meg. Ekkor a p-réteg kapcsán az áramforrás pozitív pólusa, az n-réteg kapcsán pedig a negatív pólusa alakul ki.

A fényelem érintkezői közötti potenciálkülönbség (feszültség) azért jön létre, mert a p-n-átmenet két oldalán megváltozik a lyukak és az elektronok száma az n-réteg napsugarakkal való besugárzása következtében.

A külső terheléshez (akkumulátorhoz) csatlakoztatott fényelemek zárt kört alkotnak vele. Ennek eredményeként a napelem úgy működik, mint egy sajátos kerék, amelyen az elektronok mókusok módjára futnak. Az akkumulátor pedig eközben fokozatosan töltődik.

A szabványos szilícium fotoelektromos átalakítók egyátmenetű elemek. Bennük az elektronok áramlása csak egy p-n-átmeneten keresztül történik, amelynek átmeneti zónája a fotonok energiája szerint korlátozott.

Azaz minden egyes ilyen fényelem csak a napsugárzás egy szűk spektrumából képes villamos energiát termelni. Az összes többi energia kárba vész. Ezért olyan alacsony a napelemek hatékonysága.

A napelemek hatékonyságának növelésére a szilícium félvezető elemeket az utóbbi időben többátmenetűvé (kaszkádossá) tették. Az új napelemekben már több átmenet van. És e kaszkádban mindegyik a maga napsugárzási spektrumára van tervezve.

Az ilyen fényelemeknél a fotonok villamos árammá történő átalakításának összesített hatékonysága végül megnő. De az áruk is jelentősen magasabb. Itt vagy az egyszerű gyártás alacsony önköltséggel és alacsony hatékonysággal, vagy a magasabb hozam a magas költséggel együtt.

A napelem nyáron és télen egyaránt működhet (fényre van szüksége, nem hőre) – minél kisebb a felhőzet és minél erősebben süt a nap, annál több villamos áramot termel a napelem.

Működés közben a fényelem és az egész akkumulátor fokozatosan melegszik. Minden olyan energia, amely nem áramtermelésre használódott fel, hővé alakul. A napelem felületén a hőmérséklet gyakran 50–55 °C-ra emelkedik. De minél magasabb, annál kevésbé hatékonyan működik a fotovillamos elem.

Végül ugyanaz a napelemmodell melegben kevesebb áramot termel, mint fagyban. A fényelemek maximális hatékonyságot tiszta téli napon mutatnak. Itt két tényező játszik szerepet – sok napfény és természetes hűtés.

Ezenkívül, ha hó esik a panelra, akkor is tovább termeli az áramot. Sőt, a hópehelyeknek még idejük sem lesz különösebben megpihenni rajta, mert a felmelegedett fényelemek hőjétől elolvadnak.

A napelemek hatékonysága

Egyetlen fényelem még délben, tiszta időben is nagyon kevés villamos energiát termel, amely legfeljebb egy LED-es zseblámpa működtetéséhez elegendő.

A kimeneti teljesítmény növelése érdekében több napelemet párhuzamosan kapcsolnak az egyenfeszültség növelésére, és sorosan az áramerősség növelésére.

A napelemek hatékonysága a következőktől függ:

• a levegő és maga a napelem hőmérséklete;
• a terhelési ellenállás helyes megválasztásától;
• a napsugarak beesési szögének;
• a tükröződésgátló bevonat meglétének/hiányának;
• a fényáram teljesítményének.

Minél alacsonyabb a külső hőmérséklet, annál hatékonyabban működnek a fotocellák és az egész napelem. Ez egyszerű. A terhelés számítása azonban bonyolultabb. A panelek által leadott áram alapján kell kiválasztani. Ennek mértéke azonban az időjárási tényezőktől függően változik.

A napelemeket úgy gyártják, hogy a kimeneti feszültségük 12 V többszöröse – ha az akkumulátorra 24 V-ot kell adni, akkor két panelt kell párhuzamosan csatlakoztatni hozzá.

A napelem paramétereinek folyamatos nyomon követése és a működés kézi beállítása problémás. Ehhez jobb, ha vezérlőt használ, amely automatikusan állítja be a napelem beállításait, hogy maximalizálja a teljesítményt és az optimális működési módokat.

A napsugarak ideális beesési szöge a napelemre merőleges. Ha azonban az eltérés a merőlegestől 30 fokon belül van, a panel hatékonysága csak mintegy 5%-kal csökken. Ha azonban ezt a szöget tovább növeljük, a napsugárzás egyre nagyobb része verődik vissza, ezáltal csökkentve a fotocellák hatásfokát.

Ha a napelemtől azt várják, hogy nyáron adjon maximum energiát, akkor merőlegesen kell tájolni a Nap átlagos helyzetére, amelyet a tavaszi és őszi napéjegyenlőség napjain foglal el.

A moszkvai régió esetében ez körülbelül 40–45 fok a horizonthoz képest. Ha télen van szükség maximumra, akkor a panelt függőlegesebb helyzetbe kell állítani.

És még egy szempont – a por és a szennyeződés jelentősen csökkenti a fotocellák teljesítményét. A fotonok egyszerűen nem jutnak át az ilyen "piszkos" akadályon, így nincs mit elektromos árammá alakítani. A paneleket rendszeresen meg kell tisztítani, vagy úgy kell elhelyezni, hogy a port az eső magától lemossa.

Egyes napelemek beépített lencsékkel rendelkeznek, amelyek a sugárzást a fotocellákra koncentrálják. Tiszta időben ez a hatásfok növekedéséhez vezet. Erős felhőzet esetén azonban ezek a lencsék csak kárt okoznak.

Ha egy hagyományos panel ilyen helyzetben továbbra is termel áramot, bár kisebb mennyiségben, a lencsés modell szinte teljesen leáll.

A napnak ideális esetben egyenletesen kell megvilágítania a fotocellákból álló napelemet. Ha az egyik része árnyékba kerül, a meg nem világított fotocellák parazita terheléssé válnak. Ilyen helyzetben nemcsak hogy nem termelnek energiát, hanem el is veszik azt a működő elemektől.

A paneleket úgy kell elhelyezni, hogy a napsugarak útjába ne kerüljenek fák, épületek vagy egyéb akadályok.

A ház napenergiával való ellátásának kapcsolási rajza

A napenergiával működő áramellátó rendszer a következőket tartalmazza:

1. Napelemek.
2. Vezérlő.
3. Akkumulátorok.
4. Inverter (transzformátor).

A vezérlő ebben a kapcsolásban védi a napelemeket és az akkumulátorokat is. Egyrészt megakadályozza a visszáramok folyását éjszaka és felhős időben, másrészt védi az akkumulátorokat a túltöltéstől/túlkisüléstől.

A napelemekhez való akkumulátorokat azonos korú és kapacitásúra kell választani, különben a töltés/kisütés egyenetlen lesz, ami élettartamuk jelentős csökkenéséhez vezet.

A 12, 24 vagy 48 V egyenáram 220 V váltóárammá alakításához inverterre van szükség. Gépjármű-akkumulátorok használata ebben a kapcsolásban nem ajánlott, mivel nem bírják a gyakori újratöltéseket. A legjobb, ha beruházunk speciális gél AGM vagy öntött OPzS akkumulátorokba.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

A napelemek működési elvei és bekötési rajzai nem túl bonyolultak. Az alább összegyűjtött videók segítségével pedig még könnyebb lesz megérteni a napelemek működésének és telepítésének minden finomságát.

Érthetően és részletesen bemutatja, hogyan működik a fotovillamos napelem:

A napelemek felépítését a következő videóban tekintheti meg:

Napelem összeszerelése fotocellákból saját kezűleg:

A nyaraló napelemes áramellátó rendszerének minden elemét szakszerűen kell kiválasztani. Az elkerülhetetlen teljesítményveszteségek az akkumulátorokon, transzformátorokon és a vezérlőn jelentkeznek. Ezeket feltétlenül minimálisra kell csökkenteni, különben a napelemek egyébként is alacsony hatásfoka teljesen nullává válik.

Az anyag tanulmányozása során kérdései merültek fel? Vagy van értékes információja a cikk témájával kapcsolatban, amelyet megoszthat olvasóinkkal? Kérjük, hagyja megjegyzéseit az alábbi blokkban.