A megújuló energiaforrásokat használó eszközöket szeretném most górcső alá venni, azon belül is először a napelemről és napkollektorról lesz szó első ízben.

Előfordul, hogy összekeverem az elnevezéseket, hogy a két típus közül melyik milyen energiát állítanak elő. Ebből a szempontból az angol nevük jobban szemlélteti működésüket és felhasználásukat.

Nézzük: mindkettő a nap energiáját hasznosítja és a naphő segítségével energiát termel. Ez idáig nincs nehézség.

A különbség az, hogy míg a napelem villamos energiát állít elő, addig a napkollektor hőenergiát, melyet fűtésre vagy meleg víz előállításra lehet felhasználni.

Angol nyelven: a napelem photovoltaics (PV) cell vagy solar cell, a napkollektor solar thermal collector.

Kinézetükben is különbözhetnek: a napelem lapos panelekből áll, míg a napkollektor általában csövekből. 

A napelem

Másnéven fotovillamos (fotovoltaikus) elem a nap sugárzási energiáját alakítja át közvetlenül elektromos energiává. 

Története

Egészen az 1800-as évek elejéig nyúlik vissza a napelem története. Legelőször Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus 1839-ben tapasztalta, hogy ha réz-oxid lapot fordít a Nap felé, melyet összeköt egy vizes cellájú akkumulátorral, a világítás hatására elektromos áram termelődik. A nagy felfedezésekre a legtöbbször véletlenül találnak rá, így volt ez a mai napelemek ősével is. Az 1860-as években William Grylls Adams brit professzor a szelén ellenállását vizsgálva rájött, hogy a fény hatására elektromos áram kezd folyni a szelénben, és a jelenséget fotovoltaikus elektromosságnak nevezte el. Az első igazi napelemet Charles Fritts készítette 1885-ben New York-ban, egy táblán szelén réteget vékony aranyfilmmel vont be, amellyel folyamatosan tudott áramot termelni. További kísérleteket folytattak a szelénnel, de a jelenség okát sokáig nem találták. Magyarázatot Einstein elmélete indította el a Napból érkező energiacsomagokról, és a jelentőségét is nagyra becsülték, de csak az 1950-es évek elején kezdek el igazán foglalkozni a napelemek fejlesztésével.

A napelemek fejlődésében a félvezetők felfedezése és alkalmazása hozta meg az áttörést. Darryl Chapin első elkészült napeleme 1953-ban 0,5 %-os hatásfokkal működött, ez még csak szelén alapú volt. Gerald Pearson (aki, Calvin Fuller-rel együtt az első jól működő tranzisztorokat hozták létre) azt javasolta, hogy szelén helyett szilíciummal próbálkozzon. Ez már 2,3 %-os hatásfokon működött. A szilícium arzénnal és boronnal való kezelésének hatására a napelem hatásfoka elérte a 6%-ot. Az amerikai Bell Laboratories (ahol a 3 kutató dolgozott) 1954. április 25-én mutatta be az első, ma is használatos típust. Részleteket a napelemek.blog.hu -n lehet olvasni.

Működése

A napelem fény hatására működik, így közvetlen vagy közvetett napsugárzás, illetve egyéb fényforrás hatására is.

A Nap elektromágneses sugárzása a napelem félvezető alapanyagában szabad töltéshordozókat hoz létre, melyek hatására a napelem fémelektródáin feszültségkülönbség keletkezik. Az így kapott alacsony egyenfeszültséggel lehet fogyasztókat (világítás, szellőztetés) üzemeltetni.

Hatásfok

Az elméleti energiaátalakítási hatásfok a 60 %-ot is elérheti, de jelenleg ennél lényegesen kisebb hatásfokú napelemek készülnek. Az olcsóbb napelemek hatásfoka 6-8 %. A korszerű egy- illetve polikristályos napelemek energiaátalakítási hatásfoka 16-18 %. Többrétegű napelemekkel laboratóriumi körülmények között már 40 % feletti hatásfokot is elértek.

A napelemek alapanyaga félvezető cellákból áll.

Alapanyag szerint többféle napelemet különböztetünk meg:

Kereskedelmi forgalomban előforduló típusok:

• Egy(mono)kristályos napelemek: drágák, de hatékonyak. Ezek a legkorszerűbb panelek, melyek hatásfoka 14-18%, laboratóriumi körülmények között 25%, az elméleti határ 33,7%.

• Polikristályos napelemek: Olcsóbbak, de kevésbé hatékonyak. Hatásfokuk 12-15% körül van.

• Amorf szilícium napelemek: a vékonyréteg napelem egyik típusa, ezek olcsóbbak, de hatásfokuk csak 5-8%. Kevesebb szilícium kell a gyártáshoz, mint az egykristályos esetében, mert az aktív réteg csak 1 µm vastag.

  Vékonyréteg napelem típusba tartozik még a kadmium-tellurid (Cd-Te), erről azonban tudni kell, hogy kadmium erősen mérgező, élettartama lejártával környezetszennyező hulladékká válik. A réz-indium-gallium-szelenid anyagú (CIS vagy CIGS) napelemek szintén. Az utóbbiak hatásfoka kevesebb, mint 15%. Előállításukhoz kevés félvezető alapanyag szükséges, mert az aktív réteg csak 1-2µm vastag.

Egyéb típusok:

• Gallium Arzenid vegyület alapú napelemek: Rendkívül drágák. Akár 8 db réteget is egymásra építhetnek, így a hatásfok elérheti a 44%-ot koncentrált napfényben. Ezeket főleg műholdakon használják.

• Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%

• Szerves festék alapú napelemek: Elektrokémia elven működnek, a fényelnyelő anyag egy szerves festék. A hatásfokuk csak 2-4% azonban a gyártása rendkívül olcsóvá válhat a jövőben.

5 tévhit a napelemmel kapcsolatban: http://evbsolar.hu/5-tevhit-a-napelemrol/