Az emberiség nagy lehetősége, de egyben kényszere is, hogy az energia-fogyasztását az egész Földünket veszélyeztető fosszilis energiatermelésről a Nap energiájára állítsa át. Ingyen, tiszta energiához jussunk a napelemek és a Nap által. Ez egy igen csábító ígéret, mert egy fényes nyári napon a napsugarak nagyjából 1000 Watt energiát sugároznak le a Földre négyzetméterenként. Ha sikerülne összegyűjtenünk az összes Földre sugárzott energiát, akkor könnyedén tudnánk az egész emberiség energia-fogyasztását tiszta, CO2 kibocsátásmentes elektromos energiával ellátni.
Kristályos napelemek
A napelem cellák a fényt elektromos árammá alakítják. Egy napelem panel napelem cellákból áll, amelyek elektromos vezetőkkel vannak összekötve, és bele vannak helyezve egy napelem tartó keretbe. Ezt hívják így egyben napelem panelnek. Ezeket a napelem paneleket aztán össze lehet kötni, így nagyobb napelem rendszereket alkotnak. A napelem cellák speciális anyagokból, úgynevezett félvezetőkből készülnek, mint például a szilícium, amely jelenleg a legelterjedtebb anyag a napelemet gyártó cégeknél. A kristályos napelemek monokristályos vagy polikristályos napelemek lehetnek. A monokristályos napelemek előállítása költségesebb, hatásfokuk azonban magasabb. A polikristályos napelemeknél valamivel egyszerűbb, így olcsóbb előállítási technológia áll rendelkezésre. Hatásfokuk közel megegyező az egykristályos napelemekével, bár felületük valamivel nagyobb az egyazon teljesítményre vetítve. A gyártók a napelemek árát a teljesítményre vonatkoztatva adják meg. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a vásárló számára mindegy, milyen technológiával készült napelemet vásárol meg. Mivel nincsenek a napelem cellákban és napelem rendszerekben olyan alkatrészek, amelyek mechanikusak, amelyek elromolhatnak, némelyik napelem már több évtizede működik és valószínűleg még működni is fog egy jó darabig.
A napelem cellák jó hatásfokú áramtermeléséhez az kell, hogy a lehető legnagyobb direkt napsugárzás érje őket. A legjobb, ha van egy teljesen déli fekvésű tető, és nincsen rajta árnyék. Persze ideális tető nagyon kevés van, nem erre tervezték az épület megépítésekor. Ez azonban nem jelenti azt, hogy kevésbé optimális tetőzetre nem érdemes napelemet szerelni. A hatásfoka ugyan csökken, de akkor is fog elektromos áramot termelni. Északi tetőre azért ne tegyünk napelemet!
Egy napelem rendszert mindenképpen szakemberrel, szakcéggel kell megterveztetni. A szakember figyelembe fogja venni, hogy milyen dőlésszögben van a tető és merre néz, milyen árnyékok vetülnek rá. Mindezek figyelembevételével a legoptimálisabb megoldást fogja javasolni.
A napelem rendszer által termelt energia felhasználása kétféleképpen történhet. Akkumulátoros napelem rendszerben a napelem által termelt egyenáramot akkumulátorokban tároljuk. Az egyenáramból egy normál inverteren keresztül tudjuk a háztartásnak szükséges 230V-os feszültséget előállítani. A hálózati csatlakozású napelem rendszer lényege, hogy a napelem által termelt egyenáramot egy speciális inverter segítségével 230V-os váltakozó árammá alakítja hálózati alkalmazásra.
Az energia tárolása
Tehát vannak elektromos hálózatra visszatáplálós és a szigetüzemű napelem rendszerek. A szigetüzemű napelem rendszereknél az energiát tárolni kell azokra az időkre, amikor fel szeretnénk azt éppen használni. Ennek nagy hátránya, hogy az akkumulátorok nagyon drágák, karban kell őket tartani és élettartamuk sem hosszú; sokszorosan rövidebb, mint a napelem vagy a napelemhez készített inverteré. Vannak kísérletek más elven működő villamosenergia-tároló rendszerek létrehozására, pl. vízből hidrogént előállító rendszer, ahol a nyáron megtermelt hidrogént télen fel lehet használni, de a rendszer nem teljesen kiforrott és drága volta miatt a megtérülés is jelentősen kitolja a napelemes rendszerünk megtérülését. Helyette az akkumulátoros rendszereknél érdemesebb a nem megfelelő napsütéses napokra fenntartani egy aggregátort pár kanna üzemanyaggal, hogy elektromos áramot állítsunk elő, vagy akkumulátorainkat feltöltsük vele. Az akkumulátorokat jól szellőző helyen kell tárolni, mert veszélyes gázok képződnek.
A hálózatra visszatápláló napelem rendszereknél a nyári többletet visszatápláljuk a hálózatba, és télen – amikor nem süt annyira a nap, nem termel annyit az ideális ár-érték arányú napelem rendszerünk – egyszerűen visszavesszük a hálózatból. Ezáltal az áramszolgáltató úgy működik, mint egy végtelen tároló rendszer (puffer tartály).
Mindkét esetben olyan energia-átalakító eszköz – inverter - rendszerbe állítása szükséges, amely a hálózattal való együttműködésre képes, így hasonló minőségű villamos áramot szolgáltat, mint a vezetékes ellátást biztosító közszolgáltató. A nem megfelelő inverterrel visszatáplált áram súlyos, akár halálos következményekkel járhat. Az inverter hálózatra csatlakoztatásához a szolgáltató engedélye szükséges. A csatlakoztatás után a termelt elektromos energiát a közösségi hálózatra feltápláljuk, majd amikor fogyasztunk, visszavesszük. Azaz energiatárolási célra nem akkumulátorokat, hanem a nyilvános hálózatot használjuk fel.
Miután a napelemeink az időjárási szélsőségeknek – többek között erős szélnek – kitett helyre kerülnek, szükséges még speciális napelem tartószerkezet, amellyel megfelelően rögzíthetjük a napelemeinket. Különféle tetőtípusokhoz különféle napelem tartószerkezet ajánlott. Napelemeket lehet földre is telepíteni, amelyre szintén többféle variáció létezik. Az napelemek által előállított egyenáramot speciális – napelemekhez gyártott – kábelek vezetik el, amelyek természetesen UV állók. Ha mindent megfelelően végzünk el, akkor a napelem rendszerünk jó pár évtizedig fog tiszta és CO2 mentes elektromos áramot előállítani.
Rengeteg kutatás létezik, hogy a napelem rendszereket minél olcsóbbá és hatékonyabbá tegyék. Több fajta napelem létezik. Próbálkoznak koncentrált fénnyel, piramisos üvegfelülettel, különböző anyagokkal, de egyelőre az a technológia működik a gyakorlatban, amit még az űrben is használtak műholdak és űrállomások energia ellátására, csak kissé jobb hatásfokkal.
Napelemek típusok
A ma használatos napelemeknek három fő típusa van. Az amorf típus napelem panel kis hatásfok elérésére képes, körülbelül 4-6%, amely nagyobb felületi elhelyezést igényel. Élettartama a legrövidebb, körülbelül 10 év, ami jóval elmarad a többi változathoz képest.
A monokristályos napelem: előállítási költsége magasabb, mint az amorf napelemé, viszont a ma létező legnagyobb hatásfok elérésére képes, ami 15-17%. Jobban hasznosítja a közvetlen napfényt.
A polikristályos napelem egy olcsóbb öntési technológiával készül, így az ára is alacsonyabb, de a hatásfoka is kisebb, mint a monokristályos megoldásé, megközelítőleges 10-13%.
Az ideális ár-érték arányú napelem rendszerek az adott körülmények pontos mérlegelésével tervezhetők meg. Ez függ a napelem rendszer elvárt teljesítményétől, az érkező napsugarak beesési szögétől, vagy az alapul szolgáló napelem tartószerkezettől.
Mennyi napsugárzásra számíthatunk
A napelem panelek telepítése előtt a leendő felhasználók egy napenergia-térképen tudnak tájékozódni arról, hogy milyen napelem rendszer kiépítése fedezi az általuk felhasznált elektromos áramot – függően attól, hogy az ország mely részén, milyen domborzati viszonyok között van a lakóhelyük. A globálsugárzás alatt a Napból, illetve az égboltról érkező, a közvetlen és szórt sugárzás összességét értjük. Magyarországon a Tiszántúl déli részét éri legnagyobb besugárzás, ennek az értéke viszonylag nagy a Dunántúlon és az Alföld déli részein is. Az aktuális sugárzás mindig az adott helytől is függ. A napelemek költséghatékony működését a napfény erőssége nagyban meghatározza. A napfény erősségét befolyásoló tényező a domborzati viszonyokon kívül a felhőzet és a napfénytartalom. Hazánk legnaposabb részén évi eloszlásban 2000 óra fölött van a napsütéses órák száma. Télen másfélszer több órában kapnak napsugarakat a magasabban fekvő területek, az alföldi területekkel szemben. Nyáron viszont borultabb, csapadékosabb időjárás jellemzi ezeket a hegyvidéki tájakat.
Mindezek miatt is különösen fontos a napelemek megfelelő elhelyezése. Jó lenn, ha minden napkollektor délre nézne, de az építési adottságok miatt csak ritkán telepítünk pontosan déli tájolású, 38 fokos hajlásszögű tetőre napelemet. A ma használatos napelem általában kb. 100x160 cm-es méretű és 230 Wp körüli teljesítménnyel bír. Egy átlagos családi ház 10-15 táblás, 2300-3500 W-os rendszert igényel, ami 16-25 m2 területet kíván. Nem okoz gondot, hogy a rendszer fele pl. déli tájolású, a másik fele keleti, vagy nyugati oldalra kerül. Az esztétikus elhelyezés a tetők tagoltsága, ablakok, kémények és meglévő napkollektorok miatt nem mindig lehetséges. Ilyen esetben telepíthetjük a napelemeket szaletlire, gépkocsi-beállóra, bármilyen kerti építményre, vagy földre épített konzolra. Ezek nagy előnye, hogy optimálisan tájolhatók, és akár a hajlásszögük is változtatható. A napelemeket nem árnyékolhatja semmi! Érdemes a paneleket tisztán tartani, mert a pormentes napelem több tíz kWh-val többet termel évente, mint amelyik elhanyagolt.
A napelem rendszerek építésénél nagyon fontos, hogy a szakemberek által felszerelt napelem rendszer mekkora hatásfokkal üzemel és mekkora teljesítmény leadására képes.
Megtérülés
A napelem rendszerünk megtérülésének kiszámolásához a legfontosabb információ, hogy mennyi elektromos áramot fogyaszt az a háztartás, melyet napelem rendszerrel szeretnénk felszerelni. A szakemberek ezen információk alapján konstrukciót készítenek, hogy mekkora teljesítményű napelem rendszer fedezné ezeket a költségeket. Pontos számításokkal tudják megtervezni az adott helyen elkészíthető legoptimálisabb napelem rendszert.
Fotovoltaikus
hatás
Hálózatba
visszatápláló rendszer
Monokristályos
napelem
Nagyméretű
szigetüzemű rendszer
Optimális
tetődőlés
Polikristályos
napelem
Szigetüzemű
napelem rendszer
Szigetüzemű
rendszer akkumulátorparkja