A NAPENERGIA
Napenergia: a Napban lejátszódó magfúziós
folyamatok során keletkező energia. Ennek az energiának
egy része 3,8 x 1026 J s-1 sugárzási
teljesítménnyel szétsugárzódik a Napot körülvevő térbe.
A Föld Naptól való távolságának megfelelően a terjedési
irányra merőleges síkban a napsugárzás energiaáramának
sűrűsége a napállandó 
. Ez azt jelenti,
hogy a Föld keresztmetszeti felületének 
a teljes felülethez 
való viszonya alapján
a Föld felületegységére az atmoszféra felső határán globális
mértékben 
napenergia jut.
Ennek révén a Föld közel állandó értékű sugárzó energiát
vesz fel 5,51 x 1024 J a-1 mennyiségben.
Elsősorban ez a felvett külső energia tartja fenn a Föld
biogeokémiai körfolyamatait és az életet is. A napenergiát
az ultraibolya, a látható és az infravörös tartományban
sugároz. Az energiamaximum 
- nél található. - Reflexió és szóródás révén az atmoszférába
bejutó napenergiának globális átlagban 30,5%-a a világűrbe
jut vissza. A beeső napenergia reflektált hányada, az
ún. albedo (
) 85%-át az atmoszferikus albedo (reflexió,
ill. szóródás a felhőkön, továbbá az atmoszféra gáz-halmazállapotú
komponensein és az aeroszolokon), 15%-át pedig a földfelületről
visszavert energia teszi ki. Az elnyelt energiából 
mennyiséget (a teljes sugárzó energia
45%-a) az óceánok, a szárazföld és jégfelületek abszorbeálnak,
a fennmaradó részt 
, 24,5%) pedig az atmoszféra komponensei nyelik el. Ez
utóbbiakkal való kölcsönhatás (ózon, oxigén stb.) révén
a 
< 290 nm hullámhosszú, az élőlényekre veszélyes sugárzó energia
teljes egészében elnyelődik, ami azt eredményezi, hogy
a földfelületre jutó hányad spektrális összetétele eltérő
lesz. (Környezetvédelmi Lexikon)
A
legegyszerűbb aktív, napenergiát hasznosító rendszer,
amelyet már 1890-es évektől használtak az USA-ban, az
egy ablak mögé helyezett víztartály volt. Ezt a rendszert
1909-ben szabadalmaztatta William J. Bailey, Kaliforniában.
A technológia tökéletesítésével olyan hőszigetelő tartályokat
kezdtek el alkalmazni, amelyek akár egész éjszakán át
melegen tartották a vizet. William J. Bailey üzletének
az 1920-ban itt fölfedezett földgáz-mező hasznosítása
vetett véget, holott eddig 4000 ilyen rendszert tudott
eladni.
1935-40.
között a Miamiban épült új lakások 80%-ának volt napkollektora.
Csak itt mintegy 60 000 rendszert adtak el.
1950-ben
az amerikai napkollektor-ipar az olcsó fosszilis tüzelőanyagok
előtérbe kerülése miatt összeomlott.
1973-ban
azonban az olajárak emelkedése miatt újra megjelentek
a napkollektorok a piacon.
Az
USA-ban, Japánban, Görögországban és Izraelben egyaránt
jelentős a napenergiával történő használati melegvíz-fűtés.
Csak az Egyesült Királyságban 40 000 napkollektoros rendszert
helyeztek üzembe 1990-ig.
A
napenergia mechanikai munkára történő hasznosítása a 19.
században kezdődött.
Az
1870-80-as években Augustin Monchot és Abel Pifre feltalálta
a napenergia által működő nyomtatógépet, borpárlót és
hűtőt.
A
rendszer alapját egy pontfókuszú parabolatükör és egy
víz forraló berendezés, – amely a fókuszra volt szerelve
- képezte. A gőzt csövek vezették egy előre-hátra történő
mozgást végző, másfél lóerős motorhoz. A teljes berendezés
40 m2-es alapterületen fért el.
A
20. század elején Frank Shuman az egyiptomi Meadiben épített
öt nagyméretű vonalas fókuszú, parabolatükrös rendszert,
amelyek egyenként 80 m hosszúak, 40 m szélesek voltak,
a gőzt öntöttvas csövek vezették a motorhoz. 1913-ban
Shuman rendszere 55 lóerős volt.
Az
1980-as években Kaliforniában, Barstownban épült egy 10
megawattos elektromosáram termelő rendszer a SUN-1. Az
erőmű heliosztátja (mozgatható tükörberendezése) a központi
torony tetején lévő forralóhoz tükrözi a napsugarakat.
A több, mint 500°C-os hő elszállítására egy speciális szintetikus olajat, vagy olvasztott
kősót alkalmaznak. A forró só által létrehozott magas
hőmérsékletű gőz turbinákat hajt meg, melyek segítségével
elektromos áram állítható elő.
A
Nap egy hatalmas fúziós reaktorhoz hasonlítható, benne
másodpercenként 4 millió tonna hidrogén alakul át héliummá
(He). A hidrogén héliummá alakulása exoterm folyamat,
a belőle származó hő eredményezi, hogy a Nap felszínének
hőmérséklete megközelítőleg 6000 °C. A napsugárzás 1/30 része visszaverődik a Földről. Nagy része abszorbeálódik,
és végül, mint hosszúhullámú infravörös sugárzás a világűrbe
távozik.
A
Nap körül keringő Föld nyáron az északi pólussal fordul
a Nap felé, így az északi-féltekére érkező napsugarak
beesési szöge nagyobb (úgy tűnik, hogy a Nap magasabban
van az égen). Nyáron a Föld 150 millió km-rel van távolabb
a Naptól, mint télen. Minél alacsonyabban látható a Nap
az égen, annál hosszabb utat kell megtennie a napsugaraknak,
így könnyebben visszaverődhetnek. Amikor a Nap 60 °C-os szög alatt látszik, energiája
negyedére esik vissza.
Az
atmoszférán áthaladó napsugarak a légkörben található
anyagokról (vízpára, por, kolloid szennyezők, felhők)
szétszóródnak. A felszínt így elérő fényt diffúz sugárzásnak
hívjuk. Diffúz sugárzás nélkül az ég feketének tűnne.
Amikor a Napból érkező sugarak egyenes úton érik el a
felszínt, direkt sugárzásról beszélünk. Ez a gyakorlatban
bizonyos mennyiségű cirkumszoláris diffúz sugárzást is
tartalmaz, amely a „Nap környékéről” származik. Északnyugat-Európában
átlagosan a napsugárzás kb. 50%-a diffúz, és 50%-a direkt.
Mind a kettő hasznosítható energiatermelésre, de csak
a direkt sugárzás alkalmas magas hőmérséklet előállítására.
Ugyanakkor diffúz sugárzásnak köszönhető az épületek északi
fekvésű helyiségeinek „megvilágítása”.
Magyarország
területén a napsütéses órák számának évi átlagértéke kb.
2000 h/év, a beeső sugárzás energiájának évi átlaga pedig
1168-1305 kWh/m2/év.
Az
aktív napenergiahasznosítás az alábbi résztevékenységekből
áll össze:
-
a napsugárzás összegyűjtése
-
az abszorber felületen történő elnyeletése
-
a felfogott hővel a hőcserélő felmelegítése
-
a hőcserélő hőjét hasznosító rendszer üzemeltetése
A
napenergia hasznosításának főbb területei:
-
energiahatékony építkezés
-
használati melegvíz előállítás
-
uszodafűtés
-
légfűtés és szárítás aktív szolár légtechnikai
berendezésekkel
-
elektromos áram előállítás a háztartásokban, valamint
nap-erőművekben
-
Szabadon álló termoszifonos rendszer: Legfőképpen
a mediterránumban használják, hiszen a víztartály az épületen
kívül helyezkedik el, a kollektor panel pedig a tetőre
van felszerelve a megfelelő dőlésszögben.
-
Uszoda melegítés: A technológia célja, hogy a medence vizét a fürdőzők
számára megfelelő hőmérsékletűvé tegye. A medence vizét
egy szivattyú átpumpálja a kollektoron, majd vissza a
medencébe. Ilyen rendszerek esetében a hatékony fűtés
érdekében a kollektor felületnek fele akkorának kell lennie,
mint a medence felülete.
-
Üvegház: Az épület déli oldalán elhelyezett üvegház nappal
felmelegszik, és a meleg levegő a ház hűvösebb helyiségeibe
áramolva biztosítja a hőutánpótlást.
-
Trombe fal: (Francia feltalálójáról, Felix
Trombe-ról kapta nevét) Az épület déli oldalára épített
keskeny, üvegablakos helyiség, amelyben a levegő nappal
felmelegszik, és a többi lakrész felé a külön erre a célra
kialakított réseken keresztül áramlik a meleg levegő.
A
világon napenergiából előállított elektromos áram 90%-át
a kaliforniai Mojave sivatagban termelik. 1984 és 1990
között Luzban kilenc rendszert helyeztek üzembe, melyek
13-80MW energia termelésére alkalmasak. 80 MW előállítására
464 000 m2 kollektorfelületre van szükség.
A kollektorok 390°C-ra melegítik fel a szintetikus olajat, ami egy hőcserélőn
át magas hőmérsékletű gőzt állít elő. Az itt előállított
1 kW elektromos áram az üzembehelyezés után 28 centbe
került, míg az 1990-es évek elején már csak 9 centbe.
-
Fényezetlen panelú kollektorok: Uszoda-fűtésre
általában ezt a rendszert tartják a legalkalmasabbnak,
hiszen a kollektornak mindössze néhány Celsius fokkal
kell növelnie a medencébe visszafutó víz hőmérsékletét.
A rendszer 0-10°C-os hőmérséklet emelésre képes.
-
Sík kollektorok: Világszerte ezek a legelterjedtebb vízmelegítő berendezések.
A rendszer hatásfoka a fényezés tökéletességétől függ.
Minél jobb a fényezés, annál nagyobb hőmérséklet különbség
érhető el az abszorbens és az azt körülvevő légréteg között.
A
legtöbb abszorbeáló felület fekete festése a beérkező
napsugárzás 10%-át visszaveri, így az abszorpciós képesség
növelése érdekében a legmegfelelőbb festést kell alkalmazni.
Némely szelektív felülettel rendelkező lemez igen magas
abszorpciós képességgel bír a fény látható tartományában,
és a hosszú hullámhosszúságú infravörös sugárzás kibocsátása
is kicsi, így csökkenthető a hőveszteség. 0-50°C-os hőmérséklet
emelésre képes ez a fajta kollektor.
A
síkkollektorok egy másik fajtája nem vizet, hanem levegőt
melegít, és térfűtésre hasznosítják.
-
Vákumcső kollektorok: Ezek a 10-150°C-os hőmérséklet emelésre alkalmas
kollektorok a leghatékonyabb rendszerek közé tartoznak.
Ezen rendszerek esetében az abszorbens egy vékony fémsáv,
amely a tubus közepén húzódik végig. Az abszorbens réteg
közepén húzódik egy speciális cső, amely az összegyűjtött
hőt továbbítja a víztároló felé. A konvekciós hőveszteséget
a csőben uralkodó vákum jelentősen lecsökkenti.
-
Hővezető cső: A hővezető cső igen nagymennyiségű hő szállítását
teszi lehetővé. Ez a speciális cső folyadékkal van megtöltve.
A cső egyik végében lévő folyadékréteg - a parabolatükrökkel
- rákoncentrált napenergia segítségével felforr, és a
gőz a cső hidegebb végén lecsapódva leadja energiáját.
-
Vonalas fókuszú kollektor: Ez
a berendezés a napsugárzás összegyűjtésére, valamint egy
csatornába történő terelésére szolgál. Az összegyűjtött
és elvezetett energia segítségével vízből gőzt állítanak
elő, amellyel turbinákat hajtanak meg, és elektromos áramot
állítanak elő. A rendszer mindig az aktuális nap állás
irányába forgatható. 50-150°C -os hőmérséklet
különbség elérésére alkalmazható.
-Pont
fókuszú kollektor: Szintén gőz előállítására alkalmas berendezés. A Nap
mozgását két dimenzióban képes követni, és 100°C-nál nagyobb
hőmérséklet emelésére képes. Parabolatükör alkalmazásával
gyűjtik össze a napsugarakat, és a segítségével előállított
gőz meghajt egy generátort, ami elektromos áramot termel.
A
napkollektorok segítségével a napenergia könnyen hasznosítható
hőenergiává alakítható. Minél nagyobb a kollektor felülete,
és minél merőlegesebben áll a napsugarak útjába, annál
több energiát képes felfogni.
A
napkollektor áll egy matt fekete abszorber rétegből, amely
elnyeli a Nap beeső sugarait, és hőenergiává alakítja.
Az abszorber rétegre erősített, vagy éppen magában az
abszorberben kialakított csőkígyóban víz, vagy speciális
fagyálló folyadék kering, amely átveszi az abszorber által
átalakított hőt, és elszállítja a boilerba. A hazánkban
gyártott kollektorokban korróziós okokból rézcsőkígyót
alkalmaznak. Az abszorber hátoldalán elhelyezett szigetelőréteg
(általában üveg-, vagy kőzetgyapot) védi a kollektort
a hőveszteségektől. A kollektort minden oldalról jól le
kell szigetelni, illetve zárni, hogy megóvjuk az átszellőzéstől.
A kollektor elülső, fényáteresztő része lehet polikarbonát
lap, vagy antireflexiós üveg. A hagyományos síküveggel
ellentétben az antireflexiós üveg speciális belső rovátkolásával,
valamint a külső felület mattosításával megszüntethető
az üveg csillogása és a ferdén érkező napsugarak is nagyobb
arányban képesek áthatolni az abszorber felületére. A
kollektor üvegfelület felől történő hőveszteség elkerülésének
érdekében, az üveg mögött vákumot hoznak létre. A nyári
használati melegvíz ellátásra a sík- és vákuum csöves
kollektorok egyformán jók, de télen ez utóbbi sokkal hatékonyabb.
A kollektorból a felmelegedett folyadék gravitációs úton
jut a használati melegvíz tárolóba, vagy a fűtőrendszer
tartályába. A hőcserélő folyadék és a tárolóban lévő víz
között történő hőcsere után szivattyú segítségével juttatható
a hőcserélő folyadék vissza a kollektorba. Egyes szivattyú
típusok napelemek segítségével is üzemeltethetők. A rendszer
működése vezérlőt is igényel, amely mindig a megfelelő
pillanatban indítja be a szivattyút, illetve a hőcserélő
folyadékot a kollektorból a tárolóba juttatja. A rendszerben
lévő folyadék hőtágulásának kompenzálását a kiegyenlítő
tartály végzi. Az eddig leírt alkotórészeken kívül számos
kiegészítő berendezés segíti még a rendszer működését,
mint a légtelenítő szelep, amely az indításkor, valamint
az üzemelés közbeni légtelenítésre szolgál. Az üzemelés
ellenőrzésére hőfok- és nyomásmérők szolgálnak, a visszacsapó
szelep segítségével megakadályozható az üzemszünet alatti
gravitációs áramlás. A rendszer töltéséhez, ürítéséhez,
valamint a javítási munkálatokhoz elzáró csapok állnak
a rendelkezésünkre. A kollektor felszerelésénél a helyes
dőlésszög a földrajzi szélességi kör fokszámával egyezik
meg, hazánkban ez 45°-48°, de fűtés-rásegítéshez közelíteni kell a 60°-hoz. A kollektorfelület
beállításánál arra kell törekedni, hogy a napsugarak beesési
szöge minél közelebb legyen a merőlegeshez. Ha a felfogó
felület merőlegesen áll a szélességi fokra, akkor merőleges
lesz a Nap sugaraira márciusban. A legjobb kihasználáshoz
nyáron a felületet a horizont felé, télen pedig függőleges
irányba kell dönteni.
-
az épület hosszában minél nagyobb felülettel tekintsen
dél felé, hogy több napsugárzás érje (déli, dél-keleti,
dél-nyugati fekvésűnek kell lennie)
-
lehetőség szerint kerülni kell, hogy egy másik
épület leárnyékolja
-
megfelelő szigetelés alkalmazása a hő visszatartására,
a hőveszteség minimálisra csökkentés érdekében
-
rugalmasan regáló, kis fogyasztású, jó hatásfokú
fűtési rendszer kiépítése az épületben
-
a nyári túlmelegedés elkerülés érdekében termálisan
masszívnak kell lennie, érdemes a déli fekvésű, nagy üvegfelülettel
rendelkező oldal elé lombhullató fákat ültetni, a nyári
túlhevülés kivédésére
-
az épület tervezésénél nagy figyelmet kell fordítani
arra is, hogy megfelelő mennyiségű természetes fény jusson
a lakásba, a világítás költségeinek csökkentés érdekében
A
passzív napenergia-hasznosítás hatékonysága függ:
-
az épület belső hőmérsékletétől,
-
az átlagos külső hőmérséklettől,
-
a napsütéses órák számától,
-
az ablak irányától, árnyékoltságától,
-
az ablak egyéb tulajdonságaitól.
Az
épület déli oldalán elhelyezett üvegház 800 kWh fűtési
energiát spórol meg a tulajdonosnak. Ennek a hőenergiának
azonban mindössze 30%-a az, ami az üvegházból származó
napenergia által termelt hő, 55% az épület belsejébe,
az üvegházon keresztül érkező levegő, amely előmelegszik
az üvegházban, 15% az épület megfelelő szigeteléséből
származik.
Az
üvegház helyett Trombe fal is építhető a ház déli oldalára.
A nem megfelelő tervezés hatására nagyon lecsökkenhet
az épületbe jutó természetes fény mennyisége, így sokkal
hatékonyabb megoldás a légkollektorok alkalmazása.
A
déli oldalon lévő nagy üvegfelület mögött lévő falba,
vagy padlóba a hő elszállítására alkalmas csővezetéket
lehet elhelyezni, az északi oldalon lévő helyiségek hőellátására.
Japánban a napenergia hasznosításának egy különleges módját
fejlesztették ki. A ház déli teteje alatt egy légkollektor
van kialakítva. A napközben elraktározott hőt innen ventillátorok
segítségével juttatják a lakás többi részébe.
A
Földre érkező napsugárzás teljesítménye 15000-szer nagyobb,
mint a jelenlegi évi fosszilis energiahordozók égetéséből
és a nukleáris erőművekből származó energia mennyisége.
Egy
0,4 m2 területű, 40 darab napcellából felépülő
modul 50 Wattos teljesítményt képes nyújtani, 1000W/m2
–es napsugárzási intenzitással. Az egyes elemek egy elektronikus
vezérlőberendezésen keresztül állnak kapcsolatban az akkumulátorral.
Az akkumulátorból az áram az inverterbe kerül, amely az
akkumulátorból érkező egyenáramot (DC) váltóárammá alakítja,
amely lehetővé teszi a közvetlen felhasználást.
A
dél-németországi Frieburgtól 15 km-re, 1000 m tengerszint
feletti magasságban található Rappenecker Hoff hegyi vendéglőben
egy 0,4 m2-es modul 1988-ban egy év alatt 2780
kWh elektromos áramot fogyasztott, amelynek 77%-át napenergiából
nyerték!
Hazánk
villamos energiatermelése jelenleg évi 35-36 TWh-ra tehető,
míg az átlagos évi besugárzott napenergia mennyisége 1300
KWh/m2, ami azt jelenti, hogy országunk teljes
területére évente 121000TWh energia érkezik.
A
napelemet Count Alessandro Volta, olasz fizikus találta
fel.
Működése
során a napelem a Nap sugárzó energiáját elektromos árammá
alakítja.
A
fotoelektromos jelenség felfedezése a francia Edmond Becquerel
nevéhez fűződik, aki 1839-ben felfedezte, hogy a vizes
cellájú akkumulátorban nőtt az elektromos feszültség,
ha a vele összekötött ezüst lapot a Nap felé fordította.
1877-ben
két cambridgei tudós, Adams és Day megfigyelte, hogy a
szelén elektromos tulajdonságai megváltoznak, ha a Nap
felé fordítják.
1883-ban
Charles Edgar Fritts - egy new yorki villanyszerelő –
szelénből készült napelemet állított össze, amely a mai
szilícium napelemekhez volt hasonló.
A
napelemek fejlődésében az 1950-es évek hoztak nagy áttörést,
a félvezetők felfedezésével.
A
félvezetők nemfémes anyagok (mint például a szilícium,
germánium), amelyekben olyan nem vezető részek vannak,
amelyek akadályozzák a töltéssel rendelkező részek mozgását.
A félvezetők felfedezése Darryl Chopin, Calvin Fuller,
Gerald Peasson nevéhez fűződik.
1948-ban
Barden és Brattain feltalálta a tranzisztort. A tranzisztor
félvezetőkből áll, általában szilíciumból, amelyek rendkívül
tiszta kristályba vannak beágyazva. A kristályt szándékosan
kis mennyiségű bórral és foszforral egyenletesen „beszennyezik”.
1953-ban
Chaplin-Fuller-Pearson hármasa szilíciumból készített
napelemet, amelynek hatásfoka a korábbi próbálkozásokhoz
képest sokkal nagyobb volt.
Bell
a napelemet a gyakorlatban az 1950-es évek közepén helyi
telefonerősítőkhöz használta. 1958-ban a napelemeket rádióállomások
energiaellátására, valamint a második amerikai műholdon
a Vanguard I-en alkalmazták. Ettől kezdve a napelemek
hatásfokának növelésére irányuló törekvések előtérbe kerültek.
Az utóbbi évtizedekben elterjedten használja a telekommunikáció,
alkalmazzák a világítástechnikában, és nem csak olyan
helyeken, ahol a hagyományos energiaellátás nem megoldható.
Az átlagemberek is könnyen hozzájuthatnak napelemmel működő
termékekhez, mint például órákhoz, számológépekhez. Az
USA-ban, Németországban, Olaszországban, Svájcban napelemeket
szerelnek fel a villanyvezetékek tartóoszlopaira, és hozzákötik
a vezetékekhez. Lassan egyre szélesebb körben terjednek
el az ipari létesítményeken, háztartásokban, hogy az energiaszükségletek
egy részét ezzel fedezzék.
A
cella két különböző, egymással összekapcsolt, vékony rétegű
félvezető anyagot tartalmaz. Az egyik félvezető a p-típusú
(pozitív), a másik az n-típusú (negatív). Ezek a félvezetők
általában szilíciumból készülnek, de készülhetnek más
anyagokból is. A photovoltaikus cella/napelem szilíciumból
készül. A szilícium - stabilitásából adódóan -elméletileg
korlátlan ideig változatlan marad, így igen alkalmas ilyen
célokra történő alkalmazása.
Az n-típusú félvezetők kristályos szilíciumból készülnek,
amelyet igen kismennyiségű foszforral szennyeznek. A szennyezési
eljárás által az anyag fölösleges szabad elektronokkal
fog rendelkezni, és éppen ezért lesz ez a negatív félvezető.
A p-típusú félvezetők is kristályos szilíciumból készülnek,
melyet kis mennyiségű bórral szennyeznek, és ezáltal elektronhiány
lép fel benne, ezért ez lesz a pozitív félvezető, a pozitív
töltések túlsúlyba kerülése miatt. A két ellentétes töltésű
félvezető körül elektromos mező jön létre, ez okozza a
különböző töltésű részecskék ellentétes irányba történő
áramlását. A napelemre eső napfény energiával rendelkező
részecskékből, fotonokból áll. Amikor a megfelelő hullámhosszúságú
fény a napelemre – a pozitív-, és a negatív félvezető
kapcsolódására – esik, akkor a fény fotonjai energiájukat
átadják az anyagban található elektronoknak, így azok
magasabb energiaszintre jutnak. Az anyagban a szomszédos
atomokat ún. vegyérték-kötés tartja össze, a magasabb
energiaszintre került elektronok miatt, így azok nem tudnak
elmozdulni a helyükről. A gerjesztett elektronok szabaddá
válnak, és vándorlásuk által vezetik az áramot. Az elektronok
helyén az anyagban „lyukak” keletkeznek, amelyek szintén
képesek elmozdulni. A kapcsolat körül fordított elektromos
mező alakul ki, negatív a pozitív vég, pozitív a negatív
vég körül. Amikor a fotonok gerjesztik az elektronokat,
a kiugrott elektronok a negatív, a lyukak a pozitív vég
felé fognak áramolni, így jön létre az elektromos áram.
Ha a napelemhez külső áramkört kapcsolunk, akkor a mozgó
elektronok a félvezetőn át a cella tetején lévő fém csatlakozó
felé áramolnak, míg a „lyukak” ellentétes irányba, a cella
alján lévő fém csatlakozó felé, ahol feltöltődnek elektronokkal
a külső áramkör másik oldaláról (a cella tetejéről). Ezt
a feszültséget a belső elektromos mező (amely a p-n kapcsolódás
helyén jön létre) termeli. A fotoelektromos cella 0,5
V elektromos áramot képes termelni, egészen 2,5 A áramerősségig,
amely kb. 1,25 W-nak felel meg.
Az
1990-es évekig a napelemek jórészt teljesen tiszta monokristályos
szilíciumból készültek, ami egy egyszerű és folyamatos
rácsszerkezetű szilíciumkristály, szabálytalan részek
és szennyezőanyagok nélkül. Ekkoriban a leghatékonyabb
napelemek belül rácsozott, lézer karcolt, 16%-os teljesítményű
modulok voltak, amelyek drága és költséges eljárással
készültek, igen tiszta polikristályos szilíciumból. Napelemeket
azonban nemcsak szilíciumból, hanem más fotoelektromos
anyagokból is lehet készíteni, mint például gallium-arzenidből.
A hagyományos szilícium napelemnek néhány száz mikron
vastagságúnak kell lennie ahhoz, hogy a ráeső fotonok
nagy részét abszorbeálja. Az amerikai ASTROPOWER kutatásai
alapján bizonyossá vált, hogy a fejlett fénycsapdázási
technikák felhasználhatók a fotonok és az anyag interakciójának
maximalizálására, a 10-20 mikron vastagságú szilícium
réteg vagy film esetében. Ezek a vékony polikristályos
filmek kerámia alapra rétegezve képezik a fotoelektromos
elem alapját és kb. 15% teljesítményűek.
A
gallium-arzenid (GaAs) ún. összetett félvezető, a szilíciumhoz
hasonló kristályos szerkezettel rendelkezik. Fotoelektromos
elemek készítésére igen alkalmas magas fényabszorpciós
koeficiense miatt. Relatív magas hőmérsékleten is működnek
anélkül, hogy a teljesítményük érezhetően csökkenne, ellentétben
a szilíciummal és sok más félvezetővel. Alapjában véve
azonban a gallium-arzenid elemek sokkal drágábbak, mint
a szilícium modulok, ennek pedig az az oka, hogy gyártására
még nem léteznek megfelelően kiforrott technológiák, és
a GaAs jóval ritkább anyag, mint az Si. Az 1987-ben megrendezett
a Pentax World Solar Challenge versenyen, ahol napenergiát
hasznosító autók mérték össze tudásukat, a General Motors
által tervezett Sunraycer elnevezésű jármű nyert. A gallium-arzenid
elemekkel felszerelt, elektromos hajtóművű, ultrakönnyű
és kis légellenállású jármű 3000 km-t tett meg átlag 66
km/h-s sebességgel. 1990-ben egy svájci tervezésű, lézer-barázdált,
égetett-rácsozatú, monokristályos szilícium elemekkel
felszerelt jármű győzött, míg 1993-ban a „Honda-Dream”,
amely 20%-os teljesítményű fotoelektromos elemekkel rendelkezett,
és 3000 km-t tett meg, és 85 km/h-s átlagsebességre volt
képes.
Az
amorf szilícium napelemek esetében a szilícium atomok
kevésbé rendezetten helyezkednek el, és az atomok kevésbé
kötődnek szomszédaikhoz, mint a kristályos változatában.
Ezen típusú napelemekben egy vékony pozitív típusú amorf
szilícium réteg van legfelül, alatta egy vékonyabb, teljesen
tiszta, valódi amorf-szilícium réteg, majd ez alatt egy
negatív típusú amorf szilícium réteg. Az ilyen típusú
napelemek működése a kristályos szilícium elemekéhez hasonlít,
és csak a bennük lévő atomok közötti kötésekben térnek
el egymástól. Az amorf szilícium napelemek előnyei közé
tartozik, hogy előállítása olcsóbb (alacsonyabb hőmérsékleten
történik, így ez kevesebb energiát igényel), mint a kristályos
szilícium elemeké, rétegei vékonyabbak, és jobban abszorbeálják
a fényt, merev, vagy rugalmas keretekbe egyaránt helyezhetők.
Hátrányai közül meg kell említeni, hogy teljesítménye
jóval alacsonyabb, mint a kristályos szilícium elemeké,
maximum teljesítménye a laboratóriumi kísérletek alapján
12%.
A
multikapcsolatos fotoelektromos elemekben kettő vagy több
fotoelektromos filmet rétegeznek egymásra, minden réteg
a beérkező napsugárzás más-más spektrumából köt meg energiát.
Ha az amorf szilíciumot szénnel szaporítjuk fel, akkor
a kapott anyag a spektrum kék végére eső fényt hasznosítja
jobban. Ha azonban germaniummal szaporítjuk fel, a beeső
fény spektrumának vége felé eső fényt hasznosítja jobban.
A magasabb energiájú fotonok a spektrum kék, míg az alacsonyabb
energiájúak a vörös színtartományba esnek. Adott számú
napelem esetén úgy is növelhetjük a nyert energiamennyiséget,
ha tükrökkel a napelemre koncentráljuk a sugarakat. A
koncentráló rendszerek legegyszerűbb formája a napelem
egész felületére azonos mennyiségű energiát koncentrál.
A fluoreszkáló koncentrálók egy fluoreszcens festékkel
kezelt műanyag lapból, vagy két lap közé rétegezett festékből
állnak. A festék széles sávban abszorbeálja a napfényt,
de az alacsony hullámhosszúságú fényt visszasugározza.
A visszasugárzott fény nagy része a felső, illetve az
alsó lapról csak a sarkokon távozhat. A reflektorok a
lap három végén, illetve a hátsó oldalon vannak felállítva.
A fény csak a sarkon át távozhatna, ahol azonban egy szilícium
elem abszorbeálja. A fluoreszkáló koncentrálók a direkt
és a szórt sugárzást egyenlő mértékben képesek hasznosítani,
azonban nem elég takarékosak az elektromos áram termelése
szempontjából.
A
Swiss Federal Institute of Technology dolgozta ki ezt
a technológiát, amely során olcsó és nagy teljesítményű
elemeket állítanak elő. Egy elem áll két vékony üveglapból,
amelyeket vékony, átlátszó elektromosan vezető ón-oxid
réteg borít. Az első lapra felvisznek egy vékony félvezető,
titanium-dioxid (TiO2) réteget, ami félvezető.
A TiO2 réteg felszínét érdessé teszik, hogy
a fényabszorpciós képességét megnöveljék. Az érdesített
felszín után közvetlenül fényérzékeny festékréteg következik,
ami mindössze egy molekularétegnyi, és ruthénium vagy
ozmium alapú fémkomplexből áll. A fényérzékeny TiO2
réteg és a másik üveglap között vékony jód-alapú elektrolit
réteg van. Az abszorpció során a megfelelő hullámhosszúságú
fény egy fotonja hatására a fényérzékeny réteg egy elektront
juttat a TiO2 rétegbe. Az elektronok innen
az elektromosan vezető réteg aljára vándorolnak, és külső
áramkörbe jutnak. A svájci kutatók 10%-os teljesítményt
értek el teljes napsütésben.
Egy
100 cm2-es szilícium napelem 0,5 V, 3A elektromos
áram termelésére képes és a napfény erősségével fordítottan
arányos mennyiségű áramot szolgáltat, teljes napsütésben
maximum 2,5-3 A-t.
A
fotoelektromos rendszerek által termelt áram egyelőre
nehezen tud gazdaságosan versenyképes maradni a hagyományos
elektromos áramtermeléssel és szolgáltatással. A németországi
Koblenz mellett működő 340 kW kapacitású fotoelektromos
erőmű átlagos teljesítménye 250000 kWh. Svájban Bern mellett
egy 500 kW-os erőművet építettek, ahol a monokristályos
szilícium napelemek 4575 m2-en, 110 sorban
helyezkednek el. Minden egyes sor 5 kW kapacitású, és
a teljes felület összteljesítménye 700000 kWh.
Svájcban
a közutak és vasutak mellé zajfogónak napelemfelületeket
építenek ki, amelyeket az ország elektromos hálózatába
kötnek be. Ausztriában falvak fűtési célú ellátására is
építenek napkollektor-rendszereket, 50-110 fogyasztó ellátására.
A
napelemek által előállított elektromos energia felhasználása
sokoldalú, de azonos nagyságú kollektor felületről háromszor
több energia nyerhető. A napelemek működéséhez direkt
napsugárzás szükséges, ilyenkor 10-15%-os teljesímény
is elérhető. A napkollektorok 30-60%-os teljesítményre
képesek, és a diffúz sugárzást is hasznosítják.
