Fotovoltaikus (PV) modulok – a fotovoltaikus cellák működési elve
Napjainkban gyakori helyzet, hogy a háztartási világítási rendszereket vagy akár az elektromos autókat fotovoltaikus cellák által biztosított napenergiával látják el. Ez azonban nem jelenti azt, hogy mindenki, beleértve a fotovoltaikus rendszerek felhasználóit is, ismeri az ilyen rendszerek működési elvét és a napenergiát elektromos energiává alakító folyamatokat. Ebben a cikkben a legtöbb ilyen kérdést pontosan elmagyarázzuk.
Mi az a fotovoltaika?
A fotovoltaika a napsugárzás elektromos árammá alakításának technológiája fotovoltaikus panelek és DC\AC átalakítók segítségével, a hálózatra csatlakoztatott energiafogyasztók ellátásához vagy az energia akkumulátorokban történő tárolására. Ez a legegyszerűbb és legszűkebb meghatározás, ezért érdemes egy kicsit tágabb perspektívát is megnézni, és visszamenni e technológia kezdeteihez.
Definíció szerint a „fotovoltaika” a napenergia elektromos energiává alakításával foglalkozó tudományág, amely a műszaki mérnöki tudomány fontos területévé fejlődött, és ma már a fejlett országok többségében jelen van. Ezzel párhuzamosan számos, a megújuló energiaforrásokból származó energia kinyerésével kapcsolatos technológiát fejlesztettek ki. A napsugárzásból származó energia kinyerése azonban a legfontosabb és továbbra is a vezető módszer a „szabad” és végtelen energiaellátás biztosítására. Megjegyzendő továbbá, hogy a napenergia teljesen kiválthatná a fosszilis tüzelőanyagokon alapuló energiaforrásokat, ami jelentősen csökkentené a légszennyezés szintjét. Van azonban egy nagy hátránya, nevezetesen a napelempanel méretéből adódó nagy felületi igénye.
Fotovoltaikus panelek – működési elv
A napenergia elektromos energiává alakításának folyamata, a belső cellarétegekben zajló folyamat, a fényvisszaverő réteg alatt kezdődik, ahol két szilíciumlemez található, vagyis a felső negatív vezetőként működik, amely foszforral kevert szilíciumból készült. Az alsó lemez pozitív vezetőként működik, és bórral kevert szilíciumból készül. Amikor egy foton nekiütközik egy szilíciumatomnak, kilöki az elektront a helyéről, és mozgásra kényszeríti. Mivel sok a foton és az ilyen lökések száma, az elektronok megpróbálnak párosodni a korábban kiütött szomszédos elektronok által meghagyott üres helyekkel, és ennek következtében elkezdenek keringeni a lemezek között, és így elektromos töltésmozgást generálnak. A pozitív és negatív rétegek érintkezési pontjánál jelenlévő elektromos tér azonban szétválasztja az elektron- és elektronlyukpárokat, ami az elektronmozgás rendeződését és feszültséget eredményez.
A Cellevia Power által kínált polikristályos szilíciummal ellátott cella
Ez a folyamat könnyen csatlakoztatható a helyi elektromos hálózathoz, azonban a rendszert frekvenciaváltóval kell ellátni, hogy az egyenáramot váltakozó árammá alakítsa. Amint fentebb említettük, a szilíciumot használják a napelemes cellák alapanyagaként, mivel a fotonenergia megegyezik azzal az energiával, amely egy elektron mozgatásához szükséges egy szilíciumatomban. Annak ellenére, hogy a tiszta szilícium nem tökéletes vezető, a legjobb megoldás akkor érhető el, ha azt foszforral és bórral keverik. A gyártók más anyagokból készült paneleket is kínálnak, pl. kadmiumot tellúrral, rézzel, indiummal, galliummal és szelénnel kombinálva. A felhasznált elemektől függetlenül azonban a fotovoltaikus panelek mindig fotovoltaikus cellákból állnak, amelyek a legkisebb alkotóelemek, és sorba vagy párhuzamosan kapcsolhatók.
Főbb napelemcella-típusok
Jelenleg két alapvető fotovoltaikus cellatípus van forgalomban. Ezek a következők:
- szilíciumalapú cellák (panelek) (monokristályos, polikristályos és amorf), egyértelműen domináns piaci részvétellel;
- egyéb elemekből (CdTe és CIGS) készült cellák (panelek).
Cellevia Power panel monokristályos szilíciummal
A szilíciumalapú panelek a legelterjedtebbek egyszerű kialakításuk és magas hatásfokuk miatt, ami 17-23% a monokristályos panelek és kb. 14-18% a polikristályos panelek esetében. A monokristályos paneleket jellemzi a legnagyobb hatásfok, de ezek egyben a legdrágábbak is. Kör alakú szilíciumlemezekből készülnek, amelyeket négyzet alakúra vágnak, a sarkok lekerekítettek. A polikristályos panelek (hatásfok: 14-18%) multikristályos szilíciumból készülnek, tömörített, nem egyenletes felületű, vékony, négyzet alakú, kékes színű lemezekre vágott tömb formájában. A matt amorf panelek nagyon olcsó, nem kristályos szilíciumból készülnek, ami alacsonyabb hatásfokot (8-10%), de egyben a legalacsonyabb árat is eredményezi.
A fotovoltaikus cellák másik csoportjába a szilíciumtól eltérő elemekből készült termékek tartoznak. Ebbe a csoportba tartoznak a CdTe és CIGS cellák, amelyeknek a fotovoltaikus rétegvastagsága elhanyagolható, és a szilíciumalapú panelekhez képest alacsonyabb a hatásfokuk. A CdTe panelek egyetlen, néhány mikron vastagságú, kadmium-telluridból készült cellából állnak, és hatásfokuk valamivel magasabb (10-12%) a CdTe panelekhez képest (12-14%), amelyek felépítése négy elemre, azaz rézre, indiumra, galliumra és szelénre épül.
A napelempanelek hatékonyságát befolyásoló tényezők
Bár a napelemcella-gyártók általában nem hozzák nyilvánosságra a gyártási folyamatok saját tulajdonú részleteit üzleti titoktartási okokból, feltételezhető, hogy a cellák minőségét a kristályok és a kvarcblokkok vágási körülményei, valamint a monokristályos kristályok tenyésztési körülményei határozzák meg. A minőséget befolyásoló egyéb tényezők közé tartoznak a panelek csiszolásának körülményei, valamint a kulcsfontosságú folyamatokat végző helyiségek tisztasága, szellőzése és hőmérséklete. A legegyszerűbb azonban a különböző gyártók által szállított azonos panelek hatékonyságát és teljesítményét összehasonlítani, mivel ezek nagymértékben függnek a gyártási folyamat minőségétől és a gyártás során felhasznált anyagoktól. Az objektív eredmények eléréséhez a vizsgálatokat azonos, valós körülmények között kell elvégezni, amelyeket folyamatosan befolyásolnak a vizsgálatban érintett összes panel (cella) közös tényezői. Függetlenül azonban attól, hogy összehasonlító vizsgálatot végeznek-e, vagy a valós életben működő fotovoltaikus rendszer működését elemzik, a végeredményt mindig ugyanaz a tényezőcsoport befolyásolja:
- a tetőfelület;
- a tető dőlésszöge a napfényhez képest;
- az évszak, azaz a napsugárzás intenzitása;
- a napfény elnyelési ideje órákban, és
- a cellák üzemi hőmérséklete.
Ez utóbbi meglehetősen problematikus, mivel a cellák hatékonysága csökken, amikor elérik a hőmérsékleti határértéket, ami nagyon meleg és napos napokon történik. Ez tehát egy paradox helyzet, mivel ezeken a napokon a legnagyobb a napsugárzás intenzitása. A fent említett egyéb tényezők, köztük a panelek működési helyének árnyékmentessége is közvetlenül befolyásolja a nyert elektromos energia mennyiségét. Az évszakok szintén fontosak, mivel tavasszal és nyáron több a napsütéses napok száma, és a napsugárzás intenzitása a legmagasabb, ami a cellák megfelelő dőlésszögével együtt sokkal jobb eredményt ad.
Panasonic gyártmányú, miniatűr cella
Napelempanelek a TME termékkatalógusában
A TME által kínált napelemcellák között három gyártó termékei szerepelnek: Panasonic, Green Power és Cellevia Power. Az első által kínált termékek mini-amorf cellák belső használatra (órák, kisebb elektronikai berendezések), a másik két gyártó által kínált választék pedig nagyobb méretű mono- és polikristályos cellákat tartalmaz kültéri alkalmazásokhoz.
TME Hungary Kft.
1146 Budapest, Hungária körút 162.
Tel.: +36 1 220 67 56
E-mail:
https://www.tme.eu/hu/news/library-articles/page/53249/fotovoltaikus-pv-modulok-a-fotovoltaikus-cellak-mukodesi-elve/
