Milyen elven működik egy napelem?

A pályázati lehetőségeknek köszönhetően itthon is egyre elterjedtebbé válik a családi háztartásokban a napelem, az egyik legnépszerűbb megújuló energiaforrás. De hogyan is nyeri ki az ember a természetből ezt az erőt? Milyen elven működik a napelem, és hogy lehet a legjobban kiaknázni ezt? A napelemek rövid története Bár megújulónak hívjuk, a Nap folyamatosan rendelkezésünkre áll, nem kell újra és újra megújulnia – ellentétben például a biomasszával. A történelem folyamán mindig adott volt a lehetőség, csak többségében nem tudtuk kihasználni. És bár az utóbbi 20 évben beszélünk róla sokat, és válik egyre elterjedtebbé, maga a technológia korántsem annyira új. Napenergiát az ókor óta használ az emberiség, a modern napelemek alapjait pedig 1839-ben fektették le. Kevesebb, mint 50 évvel később egy amerikai feltaláló, Charles Fritts elkészítette az első, modern értelemben vett, áramot termelő napelemet. A félig átlátszó aranyfilm réteggel bevont félvezető szelén bár termelt áramot, de a hatékonysága csupán 1% volt. Ezután már több tudós is jelentős felfedezéseket tett, míg végül 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott Albert Einstein, aki a fotoelektromos hatást definiálta. 25 évvel később Russel Ohl szabadalmaztatta magát a napelemet, ami több amerikai tudóst is arra ösztökélt, hogy minél hatékonyabban használható verziót alkossanak. A legnagyobb problémát a napelemek előállítása jelentette, ami nagyon költséges volt. Elsősorban az űrtechnológiában kezdték el használni, de Amerikában meglátták benne a potenciált a hétköznapi háztartások számára is. Az 1970-es években létrehoztak egy állami kutatócsoportot, amelyiknek az volt a feladata, hogy a kereskedelemben is hasznosítható és értékesíthető napelemet alkossanak. Sokat lendített a fejlődésen az 1973-as olajválság is, amikor rengeteg olajipari vállalat kezdett alternatív lehetőségek után kutatni, és így többen is befektettek a napelemes technológiai fejlesztésekbe. Innentől kezdve robbanásszerű fejlődésnek indult a napenergia felhasználásának technológiája. Egyre több típust fejlesztettek, teszteltek és kezdtek el gyártani. A működési elv a mára elérhető összes típus esetében ugyanaz; a fotovillamosság elve. Az alapot a Nap elektromágneses sugárzása adja, fénye fotonokból, tehát részecskékből áll, de ugyanakkor sugárzásként és hullámként is viselkedik. Mit takar a fotovillamosság elve? Ha a napelemek felületét napsugárzás éri, akkor az elhelyezett cellákban elektromos áram keletkezik, tehát a szerkezetek úgy válnak „felhasználható elemmé” hogy a Nap a természetes „konnektoruk.” A nap fénye egyben hullám is, hasonló, mint amivel például a rádió, a mikrosütő vagy az infralámpa működik. Utóbbi a fény nem látható tartományát, az infravörös tartományt használja ki, aminek hőhatása is van. A napelem paneljeinek védőüvegén áthatoló sugárzás a szilíciumréteggel érintkezve elnyelődik, és a folyamat során szabad elektronok jönnek létre a cellában. E kölcsönhatás által elektromos tér keletkezik, melyben a szabad elektronok mozgásba lendülnek, és végül egyenáram termelődik. Ebből következik, hogy ez az energia nem csak a Napból nyerhető ki, hanem bármilyen hasonló fényforrásból, de a Nap fénye az egyedüli, olyan természetes energiaforrás, ami önmagában elegendő ahhoz, hogy ellássa az emberiséget. Ha minden körülmény optimális, akkor a monokristályos napelemek laboratóriumi körülmények között a sugárzás egynegyedét is hasznosíthatják. Mi az az inverter és miért van rá szükség? Az egyenáram termelése még önmagában nem elég ahhoz, hogy a napsugárzás az ember számára villamosenergiaként hasznosítható legyen. A háztartási gépek működtetéséhez váltóáram kell, és az eszköz, ami áthidalja ezt a problémát, az inverter, ami az egyenáramot a hálózatival megegyező váltóárammá alakítja. Ez az a központi egység, ami több feladatot is ellát, és nélküle a felhasználható napelem technológia nem létezne. A készülék olyan szenzorokkal van felszerelve, amelyek beazonosítják a hálózatban található áramot, és ehhez igazítják a termelt áramot. Az inverterek segítségével olyan, 50 Hz frekvenciájú, 230 V-os feszültséggel rendelkező hálózati áramot kapunk, amelyet egyaránt tudunk hasznosítani otthonainkban, sőt, vissza is táplálhatjuk a felesleget a közműhálózatba. Az inverterek típusai A hálózatba tápláló inverter az elektromos közműhálózatot köti össze a napelemekkel, és a különböző erősségű, illetve feszültségű áramot alakítja át. Amikor ilyen invertereket használunk, a legnagyobb hatékonyságot akkor érhetjük el, ha napelemeket soros kapcsolással, több csoportba osztva kötjük rá. Léteznek transzformátoros és transzformátor nélküli inverterek is. A transzformátoros invertereket a vékonyrétegű napelemeknél használják, míg a félcellás vagy monokristályos napelemeknél már nincs szükség a transzformátorra. Végül pedig a szigetüzemű inverterek is elérhetőek a piacon, ahol az eszköz az akkumulátorokból érkező egyenáramot alakítja hasznosítható váltóárammá. Napelemek a háztartásokban Mindebből az is keletkezik, hogy az energiatermelés napfelkeltétől napnyugtáig tart, tehát a napelem velünk együtt kel és fekszik. De vajon mi történik a napközben megtermelt, fel nem használt, felesleges árammal? Hiszen ilyenkor kevesebb fogyasztót használunk, főleg, ha munkaidőben nem is tartózkodunk otthon. A fölösleg nem vész kárba: a legtöbb rendszer úgy van kialakítva, hogy a villamos áram akkumulátorokban tárolható, vagy betáplálható a villamosenergia-hálózatba is. Ez utóbbi esetben amikor nincs aktív termelés, de áramot használunk – például éjszaka – akkor ugyan a hálózattól vesszük azt, de gyakorlatilag „levonják az egyenlegből”, és csak a felhasznált és a megtermelt áram közötti különbözetet kell kifizetni a szolgáltatónak. Minél hosszabb időn át és minél intenzívebben éri a napelemet a sugárzás, annál több energia termelődik. Nem véletlen, hogy a napelemeket az épületek, házak tetejére szerelik fel, és minél többet vannak a természet „nagy konnektorára” csatlakoztatva, annál nagyobb százalékban lesznek feltöltve felhasználható energiával. Ezért is fontos, hogy a napelemeket hogyan helyezik el a tetőn: akkor termelődik a legtöbb energia, ha a napelemeket a Nap nyári pályájához ideálisan igazítva, árnyékmentes helyen, déli irányban, 30-45 fok közötti dőlésszögben telepítik. A sugárzásnak optimális esetben átlagosan a 11-18 százalékát tudják hasznosítani. A napelemek hasznosítása Egyre nagyobb szerepet kapnak a megújuló energiaforrások, amik közül a napelemek emelkednek ki a legjobban. A Nap egy kifogyhatatlan erőforrás, ami ingyen szolgáltatja számunkra az energiát, egyben a bolygónk megóvásának egyik lehetőségét. Nagyon fontos előnye a technológiának, hogy semmilyen károsanyag-kibocsátással nem jár. A napelemek ugyanolyan elektromos hulladéknak számítanak, mint a mobiltelefonjaink, és külön újrahasznosító és megsemmisítő telepek állnak rendelkezésre, amiket folyamatosan fejlesztenek. Ennek, és a technológiai fejlődést elősegítő konferenciáknak, szakmai párbeszédeknek köszönhetően a napelemek egyre tudatosabb felhasználása és végül megsemmisítése segíthet a környezettudatosabb életmód kialakításában. A természeti erőforrások nyújtotta lehetőségek most már egyre közelebb kerülnek a hétköznapi emberhez, mint felhasználóhoz. Különböző pályázatok révén, a hosszútávon gondolkodó környezettudatos emberek számára egyre több alkalom nyílik arra, hogy beszerelje ezeket az eszközöket. Azonban ha a napelemek mellett döntesz, érdemes szakértőhöz fordulnod, aki felméri a terepet, hogy ez nálad mennyire ideális, kivitelezhető megoldás, mik a megrendelőre eső költségek, s mennyi időn belül fog mindez megtérülni egy háztartásban.