A napelem működése röviden és érthetően

A napelem működése valójában egy egész rendszer mérnökileg kivitelezett üzemeltetését jelenti, amelynek részei: a félvezető panelek, az inverter, a napelemek tartószerkezete, a rendszerhez tartozó kábelek és kapcsolók, valamint a baleset- és tűzvédelmi berendezések. Azon alapszik a napelem működési elve, hogy egyszerre tudja ellátni az egyszerű háztartások és a különböző iparágakban tevékenykedő vállalatok igényeit, megújuló energiaforrást biztosítva számukra napenergia formájában. Ha Ön is kíváncsi, hogy miként zajlik a napelem működése röviden és érthetően, akkor bátran olvasson tovább!

Napenergia – A napelem működésének alapja

A megújuló energiaforrások öt fő típusa a következő: napenergia, vízenergia, szélenergia, geotermális energia és biomassza. Ezek közül az egyik legkönnyebben hozzáférhető energiaforrás a lakosság számára a napenergia, amelynek hasznosítását napelem pályázatok is támogatják.

A napenergia és a többi hasonló zöld energiaforrás felhasználása azért fontos, mert így egyszerre óvjuk a természetet, védjük a környezetet és csökkentjük az energiaköltségeinket.

Napelemek telepítése által fenntarthatóan tudjuk működtetni háztartásunk elektromos berendezéseit, beleértve a fűtési rendszert is. Fontos azonban leszögezni, hogy egy napelem rendszer telepítése anyagi befektetést igényel, ami rövid időn belül megtérül és évtizedekre megszabadítja Önt és egész családját a villany- és fűtésszámlák emelkedő áraitól.

A napelem működése röviden

1. A napelem panelek összegyűjtik a Napból érkező fényt.
2. A vezetékeken keresztül az egyenárammá alakított energia az inverterbe érkezik.
3. Ezt az egyenáramot az inverter átalakítja váltóárammá, amit a háztartások is fel tudnak használni.
4. A villamosenergia-tároló berendezések segítségével el tudjuk tárolni a napenergiát későbbi felhasználásra.
5. A többlet energiát pedig feltöltjük a hálózatba, amit más háztartások tudnak majd hasznosítani.
6. Abban az esetben, ha energiahiány lép fel (pl. este vagy télen, amikor kevés a napsütés), ugyanúgy energiához juthatunk saját energia tárolóinkból vagy akkumulátorok által, de akár a hálózatból is nyerhetünk energiát.

A napelem működése részletesen

A napelem rendszer (azaz fotovoltaikus rendszer) a Napból érkező fénysugarakat alakítja villamos energiává. A folyamatnak megvannak az imént ismertetett lépései, azonban most részletesebben is áttekintjük, hogyan is zajlik a napelem működése.

1) A napelem panelek aktiválódása

Egy napelem panel cellákból épül fel, amelyek száma 60 vagy 120 darab lehet általában. A paneleket el lehet helyezni háztetőn, melléképületek tetején, falon vagy akár megfelelő tartószerkezet mellett a földön is. A napfény hatására aktiválódnak, ami beindítja a napelem működését.

A legtöbb panel félvezető szilíciumból készül, mivel ez egy kifejezetten időtálló anyag, ennek köszönhetően a napelemek élettartama akár 40 év is lehet. A napelem működése szempontjából fontos, hogy a panelek anyagát képező kristályos szilícium félvezetőket szennyezéssel kezelik.

A napelem működését a fizika szempontjából kétféle félvezető szabályozza:

• Pozitív (p-típusú) félvezető réteg: a kristályos szilícium az alapja, bórral van szennyezve, ezáltal elektronhiány lép fel a szerkezetben. Ennek eredménye, hogy lyukak keletkeznek és pozitív félvezetésűnek fog minősülni a réteg.
• Negatív (n-típusú) félvezető réteg: szintén a kristályos szilícium képezi az alapját, viszont bór helyett kis mennyiségű foszforral szennyezik, aminek hatására szabad elektronok képződnek benne, így negatív félvezetésű lesz ez a réteg.

2) Az egyenáram kialakulása

A szilícium panelekben semlegesítik egymást a pozitív és negatív töltések, viszont a Napból érkező fényben található fotonok (energiával rendelkező részecskék) hatására elektromos mező (feszültség) keletkezik közöttük. Ezt nevezzük fényelnyelésnek, aminek eredményeként az elektronok a panelben gerjesztett állapotba kerülnek.

Ezt követi a töltésszétválasztás: az állandó elektromos tér hatására a pozitív és negatív töltésű elektronok szétválasztódnak egymástól, vándorolni kezdenek.

A negatív töltésben keletkezett elektronok a pozitív töltések felé indulnak el, és így fordítva. Ez a mindig mozgásban lévő feszültség lesz az elektromos áram. A megfelelő érintkezésekkel egy külső áramkörbe lesz vezetve a feszültség, töltésvezetés által.

Az egész végeredménye lesz a napelem működése által termelt egyenáram.

3) Váltóáram létrehozása

Az egyenáramot át kell alakítani váltóárammá, mivel csak ezt tudják hasznosítani a háztartások. Minden elektromos berendezés 230V feszültségű és 50Hz frekvenciájú váltóárammal működik, amit egy napelem inverter igénybe vételével tudunk biztosítani.

A napelem működése nem valósulhatna meg az inverter nélkül, mivel az egyenáram átalakításáért felel ez a berendezés, így kapunk eredményként váltóáramot. Ezt egyébként nemcsak saját felhasználásra lehet termelni, hanem akár a hálózatra rákapcsolódva el is lehet adni a többlet energiát, amit a napelemes rendszerünk termel.

A másik lehetőség, hogy teljesen függetlenné varázsoljuk a napelemes rendszert, és önellátásra állunk át. Ekkor úgynevezett szigetüzemű napelemes rendszer jön létre, amely akkumulátorral fog működni.

Mitől függ a napelemek hatásfoka?

A napelemes rendszer hatásfoka azt mutatja meg, hogy hány százalékos hatékonysággal tudja elektromos energiává alakítani a napfényt. Vannak természetesen tényezők, amelyeket már a napelemes rendszerek telepítésénél figyelembe vesznek a szakemberek:

• A tető tájolása (a déli tájolás a legideálisabb);
• Árnyékoló tényezők jelenléte (magas fa, szomszéd kétemeletes háza, kémény);
• A tetőszerkezet dőlésszöge (35-45 fok közötti dőlésszög megfelelő);
• Az éghajlat és az időjárási tényezők (déli órákban jelentős az energiatermelés, éjszaka viszont nem éri fény a napelemeket).

Elég, ha csak egy panelre árnyék vetül a délutáni órákban, és már negatívan fog változni az egész rendszer hatásfoka és teljesítménye. Ez azzal magyarázható, hogy a cellák és a napelem táblák sorba vannak kötve.

Egy teljes napelem rendszer teljesítménye a leggyengébben teljesítő napelem paneltől függ.

Napelem működése télen

Ahogy fejlődik a napelemes rendszerek technológiája, úgy tudnak egyre több energiát termelni a napelemek télen is. Természetesen csökken az energiatermelés mértéke a nyári időszakhoz képest, viszont a legtöbbször ez a mennyiség is elég.

Emellett meg kell említeni, hogy ha nyáron többlet energiát termel a rendszerünk, akkor azt visszatápláljuk a közüzemű hálózatba vagy az áramszolgáltatónak, amiért cserében a téli időszakban pedig mi vehetjük igénybe a hálózatról érkező energiát, ezzel kiegyenlítve számlánk egyenlegét.

A napelemek működése leginkább a hó miatt kerül veszélybe, viszont az újabb panelekről könnyen lecsúszik a csapadék (amit a dőlésszög beállításával tudunk biztosítani).

Léteznek olyan hatásfokkal rendelkező napelemek, amelyek nem érzékenyek a felhős időre, ezért jól teljesítenek a téli időszakban is. Viszont az vitathatatlan, hogy télen kevesebb a napfény, tehát kevesebb a termelhető energia is.

Minden napelemtípus eltérő módon reagál a hőmérséklet csökkenésére télen és a hőmérséklet növekedésére nyáron. Ezt az úgynevezett hőmérséklet-együttható mutatja meg: ha 25°C-os hőmérséklethez viszonyítva növekszik 1°C-ot a napelem hőfoka, akkor az mekkora teljesítménycsökkenéssel jár.

Arra kell törekednünk, hogy minél több energiát tudjunk eladni a szolgáltatónak, így minden év végén nyereségesen tudjuk zárni az adott időszakot.

Összefoglaló

A napelem működése a napenergián alapszik: a Napból érkező sugarakat alakítja át elektromos árammá.

Cikkünkben bemutattuk a napelem működési elvét, valamint fizikai szempontból is ismertettük, hogy milyen kémiai reakciók mennek végbe a napelem paneleken belül, amíg létrejön a váltóáram.

A napelemek hatásfoka viszont számos külső tényezőtől függ, mint a dőlésszög, tájolás, árnyékolás, és az időjárás. Például télen csökken a megtermelhető energia mennyisége a kevesebb napsütéses óra miatt.