A napelemek vagy más néven fotovoltaikus (PV) rendszerek olyan eszközök, melyek a napból érkező fényt elektromos energiává alakítják át.
A napelem előnyei
Fenntarthatósági szempontból a legnagyobb előnyük, hogy használatuk az energiatermelés egyik legtisztább módja. Működésük nem jár üvegházhatású gáz kibocsátásával. Szinte bárhol telepíthetőek még olyan elzártabb területeken is, mint a jégmezők vagy a sivatagok. Lényegesen kevesebb (szinte nulla) költséget és gondozást igényel a karbantartásuk. Ennek egyik oka, hogy nem tartalmaznak mechanikai forgó alkatrészeket, melyek könnyen kopnak (mint például a szélerőművek esetében). Egy jól megtervezett és erősen rögzített fotovoltaikus rendszer könnyen ellenáll az időjárás viszontagságainak, még a rendkívüli szélsőséges légköri jelenségeknek is.
További előnyük, hogy alkalmazásukkal kevésbé vagyunk kiszolgáltatva az áramszolgáltatóknak, megfelelő energiatárolási rendszer segítségével akár függetleníteni is tudjuk magunkat a hálózattól.
A napelem működése
A napelemek mérete
A napelemek mérete kapcsán két fő tényező merül fel: egyrészt a fizikai méret (területe, vastagsága, súlya), másrészt pedig a teljesítmény, amit wattban szoktak megadni. Ez a két tényező egymással összefügg.
A normál, standard lakossági napelemek mérete 1,7 x 1 méter (egész pontosan 991 mm x 1650 mm x 35 mm), területük nagyjából 1,7 m2, súlyuk pedig megközelítőleg 17–20 kg.
A technikai fejlesztéseknek köszönhetően már megjelentek a nagyobb méretű és nagyobb teljesítményre képes panelek is. Ezeknek a napelemeknek a mérete 2,2 x 1,1 méter körül van, tömegük pedig nagyjából 30 kg. Ezeket a nagyobb méretű napelemeket jellemzően naperőművekben használják, ugyanis méretükből adódóan nehezebb nekik helyet találni a házak tetején, és a telepítésük is komolyabb munkával jár.
Ami a napelem teljesítményét illeti, ezt Wp-ben szokták megadni. A watt-peak (Wp) egy szabványon alapuló jelzés. Megfelel annak a maximális elektromos teljesítménynek, amelyet egy fotovoltaikus panel képes szolgáltatni normál hőmérsékleti és napfényviszonyok között (1 kWp = 1000 Wp). Viszont érdemes tudni, hogy egy napelem csak évente pár órát termel ezen a csúcsteljesítményen. Így amikor egy napelemes rendszert állítunk össze, nem ez a leglényegesebb adat, hanem a teljes napelemrendszer teljesítménye, ami többek között függ a dőlésszögtől, a tájolástól, az időjárási tényezőktől is.
A napelemek hatékonysága
Az első szilícium félvezetőn alapuló napelemet 1954. április 25-én a Bell Labs szakemberi mutatták be. A napenergia 6%-át volt képes elektromos energiává alakítani. Napjainkban szerte a világon egyre nagyobb mennyiségű elektromos energiát állítanak elő a napelemek segítségével. Előállításuk egyre olcsóbbá válik, az új technológiáknak köszönhetően pedig a hatékonyságuk egyre jobb lesz.
A standard, normál otthoni napelemes rendszerek a beérkező napfény nagyjából 20%-át képesek elektromos árammá alakítani. A drágább kereskedelmi rendszerek akár 30–40%-os hatékonysággal képesek működni. Az ennél nagyobb hatékonyság az űrtechnológia területén jellemző, ahol műholdak és űrközpontok berendezéseit látják el elektromos árammal a magas hatékonyságú napelemek.
Napelemes rendszerek
A napelem teljesítménye függ a típusától, a méretétől, a sugárzás intenzitásától, a sugárzott fény hullámhosszától és beesési szögétől. A napelemek alapanyaga jellemzően szilícium. Három fő típusuk létezik: a vékonyrétegű napelem, a polikristályos és a monokristályos napelem. A vékonyrétegű napelem mikron vastagságú rétegekből áll, viszonylag rövid élettartamú és hőérzékeny, ezért a használata egyre kevésbé jellemző. A monokristályos napelem a direkt fényt, a polikristályos napelem pedig a szórt fényt (pl. amikor borús az idő) hasznosítja jobban. A polikristályos napelem előnye, hogy a névleges teljesítményre vetített fajlagos ára alacsonyabb (az olcsóbb gyártási technológia miatt), a monokristályos napelem előnye pedig az, hogy ugyanakkora felületről magasabb az energiahozama, viszont drágább gyártási technológiával készül.
A normál polikristályos napelempanel 60 napelemcellából áll. Ami a monokristályos napelemeket illeti, napjainkban egyre inkább terjed az úgynevezett félcellás panel. Ez azt jelenti, hogy egy napelemcella 2 fél cellából tevődik össze, így 120 félcella tesz ki egy panelt.
Mindezek tükrében pedig – abban az esetben, ha az ár az elsődleges szempont – a polikristályos rendszert érdemes választani. Ha a tetőfelület korlátozott, akkor inkább a monokristályos rendszert. Ha a modernebb technológia felé hajlunk, akkor szintén a monokristályos rendszer a jó választás.
A napelemrendszerek működésükből adódóan csak akkor termelnek áramot, amikor süt a nap. Ha akkor is akarjuk a villamos energiát használni, amikor nem süt a nap, akkor vagy el kell tárolnunk az energiát, vagy csatlakoznunk kell a hálózatra. Ezek mentén megkülönböztetünk szigetüzemű (off grid) és hálózati üzemű (on grid) napelemes rendszereket.
On grid-rendszer
Az áramszolgáltatók rendszeréhez van integrálva, enélkül nem is működik. A megtermelt villamos energia inverteren keresztül közvetlenül felhasználásra kerülhet. A fel nem használt energiát visszatáplálják az áramszolgáltató hálózatába. Ha a fogyasztóknak olyan idősávban (pl. a késő esti és éjszakai órákban) van szükségük elektromos energiára, amikor a napelemes rendszer nem termel energiát, akkor ezt az áramszolgáltató hálózatból tudják pótolni.
Off grid-rendszer
A megtermelt villamos áramot nem az elektromos közműhálózatba termelik vissza, hanem a helyi felhasználáson felül a napelem akkumulátorokat tölt fel. Az akkumulátor tárolja a megtermelt áramot a későbbi napsütésmentes idősávban történő felhasználásra. A rendszer bekerülési költsége az akkumulátorok miatt jóval magasabb, viszont függetlensége az áramszolgáltatók rendszerétől nagyon vonzó opció tud lenni. A szigetüzemű rendszerek használata elsősorban olyan helyeken jellemző, ahol nincs kiépítve elektromos közműhálózat. Ilyenek lehetnek például a tanyák.
Napelemrendszerek Magyarországon
Hazánkban az elmúlt években duplájára nőtt a telepített napelemrendszerek mérete. Ez annak tudható be, hogy a háztartások egyre gyakrabban nem csak a szokásos áramfogyasztást szeretnék megújuló energiával, napelemmel fedezni. Napjainkban már tudatosan sokkal nagyobb energiaigényre terveznek, mert a fűtést, a klimatizálást vagy az autó töltését is megújuló energiával szeretnék megoldani.
A napelem-kalkulátorok
A napelem-kalkurátorok segítségével képet kaphatunk többek között arról, hogy:
- mekkora napelemes rendszerre van szükségünk,
- hány napelemmel válthatjuk ki a meglévő fogyasztásunkat,
- mekkora helyet foglalnak el a tetőn a napelemek,
- milyen bekerülési költségekkel és megtérülési mutatókkal kell számolnunk,
- hogyan épül fel a költségek összetétele,
- a befektetés megtérüléséhez mennyi időre van szükség,
- mekkora összeget tudunk használatával megspórolni.
Minél több az elektromos eszköz a háztartásban, annál gyorsabban térül meg a napelem.
A napelemek felhasználási területei
A lakossági napelemeket gyakran a háztetőkre szerelik fel. A tetőkre telepített energiaforrás hatalmas lehetőségeket rejt magában az energiaszegénység enyhítésére és arra, hogy a fogyasztóknak világszerte tiszta, környezetkímélő áramot adjon. Egy kutatás szerint abban az esetben, ha a tetők felén napelem lenne, ez a globális éves villamosenergia-szükséglet 100%-át fedezhetné.
A kereskedelmi vagy ipari létesítmények esetében a napelemek jellemzően olyan nyomkövetőkkel vannak felszerelve, amelyek a panelt mindig a Nap felé irányítják, miközben az halad az égen.
A napelemek a mezőgazdasági termeléssel is kombinálhatók. Francia borászok például napelemes rendszereket telepítenek a szőlőkbe, melyek a klímaváltozás miatti egyre nagyobb forróságot árnyékolásukkal tudják enyhíteni úgy, hogy közben a szőlőnek is jusson elegendő fény. Ezek a panelek megvédik a szőlőt a legmelegebb időszakokban a napsugaraktól, másrészt pedig az extrém hideg tavaszi napokon szigetelőként viselkednek (akár 2 fokkal is melegebb a hőmérséklet alattuk).
A napelemet használják a világűrben is, ahol egyike a kevés rendelkezésre álló áramforrásnak.
Napelemes tetőcserép
A napelemeknek egy merőben új felhasználási területe a napelemes tetőcserép, szolárcserép vagy napelem-tetőcserép. Ez olyan megoldás, amelyben a napelemet beépítik, integrálják a tetőcserépbe. Ezzel két legyet ütnek egy csapásra, hiszen amellett, hogy tiszta megújuló energiaforrással látják el az adott épületet, egyben védelmet is nyújtanak a különböző időjárási elemekkel szemben.
Előnye a „védelem és megújuló energia egy tető alatt” funkció mellett az, hogy növeli a ház, az épület értékét. Könnyű, hatékony, gyors és biztonságos kivitelezhetőség jellemzi. Továbbá stílusos megoldást tesz lehetővé, akár műemlékvédelem alatt álló épületeken is engedélyeztethető.
Hátránya, hogy ár–érték arányban még nem versenyképes, egyelőre jelentősen hosszabb a megtérülési ideje, mint a normál napelemeké. Lényeges hátránya még, hogy hatékonysága elmarad a hagyományos napelemekétől. Mindemellett még nagyon kicsi a választék belőlük, kevés a forgalmazó is, és kevéssé kompatibilisek egymással a rendszerek. A napelemcserepekben nincsenek mikroinverterek, nincs SMART-rendszer, vagyis nem lehet optimalizálni a működésüket.
A napelemeket nem szabad összekeverni a napkollektorokkal, amelyek meleg vizet állítanak elő, míg a napelemes rendszerek villamos energiát.
