Ujenergiak.hu - Honlap egy élhetőbb holnapért

A napenergiáról szóló írásunk második részében a napenergiából elektromos áramot termelő napelemeket mutatjuk be.

Naprendszerünk központi égiteste alig egy óra alatt annyi energiát sugároz a Földre, mint amennyit egy év alatt elfogyaszt az emberiség, másfél nap alatt pedig a teljes föllelhető és kitermelhető kőolajkészlet energiájának megfelelő sugárzás érkezik bolygónkra. Az energia fölhasználásban komoly szerep jut az elektromos áramfölhasználásnak, ezért is lehet nagy jelentősége a napelemes áramtermelésnek.

Egy kis történelem

A napelemes áramtermelés fölfedezése – mint oly sok minden a tudományban – egy véletlennek köszönhető. A XIX. század hatvanas éveiben egy tenger alatti kábellel kapcsolatos kísérlet során Willoughby Smith jött rá, hogy a kísérlet során alkalmazott szelén másként viselkedik éjszaka, illetve a nappali világosságban.

Ezen a gondolaton elindulva kezdte vizsgálni William Grylls Adams a szelén vezetési tulajdonságait, s jött rá, hogy fény hatására elektromos áram keletkezik benne. A jelenségre utalva nevezte el ezt a fajta áramtermelést fotovoltaikus elektromosságnak. (Egyébként a mai napig ezt a kifejezést használják a napelemes áramtermelésre.)

A következő lépcsőt Charles Fritts munkássága jelentette, aki 1885-ben megalkotta az első valódi napelemet, amikor egy táblán elhelyezett szelén réteget aranyfilmmel vont be. Ez a konstrukció már hosszabb ideig volt képes elektromos áramot termelni.

Bár ezt követően a nap Földre érkező fényének számos, korábban nem ismert tulajdonságát megismerték a tudósok, s világossá vált, hogy a rövid hullámhosszon érkező fotonok nagyobb elektromos áram gerjesztésére képesek, a magas előállítási költségek, s az ismertté vált egyéb áramtermelési módszerek miatt a fotovoltaikus áramtermelés hosszú időre a háttérbe szorult.

Így csak a múlt század ötvenes éveiben került előtérbe a kérdés, amikor a Bell Laboratories kutatói, Calvin Fuller és Gerald Pearson a szilícium alapú tranzisztor megalkotásakor arra figyeltek föl, hogy a szilíciumot galliummal vegyítve pozitív, míg lítiummal negatív töltés keletkezik, a kettő összekötésekor pedig elektromos árammező alakul ki.

A Bell egy másik kutatója, Darryl Chapin az energiatárolás problémájával foglalkozott, s a kutatásokat a fotovoltaikus lehetőségeket is vizsgálták. Először a szelénnel próbálkozott, majd Pearson tanácsára a szilíciumot is bevették a kísérleti programba. Ezzel már 2,3 százalékos hatásfokot ért el.

A kutatás akkor gyorsult föl, amikor Fuller a szilícium arzénnel és boronnal való kezelésével megoldotta a fényvisszaverődés okozta nehézségeket, s egy kísérlet során elérték a 6 százalékos hatásfokot. A Bell hivatalosan 1954. április 25-én mutatta be a világnak áramot termelő napelemeit.

Egyelőre még drága

Bár az elmúlt fél évszázadban jelentős fejlődésen ment keresztül a fotovoltaikus áramtermelés technológiája, ezért még ma is drágább a napelemekkel termelt elektromos áram, mint a fosszilis üzemanyaggal működő erőművekből származó. Bizakodásra ad viszont okot, hogy a gyártás nagy energiaigénye és a csúcstechnológia alkalmazásának szükségessége ellenére csökkenőben vannak az árak a gyártási volumen növekedésének köszönhetően. Szakértői várakozások szerint a fotovoltaikus módon termelt áram ára talán már 2011-től a fosszilis erőművekben termelt energia árával egy szintre csökkenhet.

A napelemes rendszerek működési elve

A napelemek alapanyaga a mikroelektronikából jól ismert félvezető, amelyben – nagyon leegyszerűsítve a folyamatot – a napsugárzás hatására elektronok szabadulnak el, s ezáltal megindul áramlásuk, azaz elektromos áram keletkezik. A telepített rendszerekben az igényelt energiamennyiségnek megfelelő nagyságú és darabszámú modulba csoportosítva szerelik. A napelemek által termelt egyenáramot közvetlenül nem tudják hasznosítani az elektromos berendezések, ezért egy inverter közbeiktatásával váltóárammá kell alakítani.

A napelem-rendszerek lehetnek szigetüzeműek, illetve hálózatba kötöttek. Az előzőek kizárólag az adott épület áramigényeit szolgálják ki, azaz nincsenek kapcsolatban az elektromos szolgáltató hálózatával. Az ilyen rendszereknél gondoskodni kell az áram tárolásáról a napsütésmentes, illetve az éjszakai időszakra. A hálózatba kötött rendszerek a helyi igény kiszolgálásán túl, vagy amellett áramot juttatnak el az országos vagy regionális elektromos hálózatba.

Ugyanakkor arra is figyelni kell, hogy a napelem elhelyezése és tájolása is jelentősen befolyásolhatja teljesítményét, amely egyébként is jelentősen eltérő lehet az alkalmazott technológia, illetve földrajzi elhelyezkedés és a napsütéses órák számának függvényében.

(folytatjuk)

Forrás:
http://napelemek.blog.hu
http://www.pvresources.com/en/history.php
http://histv2.free.fr/selenium/smith.htm
http://www.nahste.ac.uk/isaar/GB_0237_NAHSTE_P0910.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Fritts