El szeretném oszlatni az mnnsz-facebookon többször is megemlített és örvendetes hírnek felragadott rekord hatásfokú napelem mítoszát és tisztázni az általánosság elvárását.
Több mint 3 éve kísérletezik a Fraunhofer-Institut ISE, a Soitec, a CEA-Leti és a berlini Helmholtz Intézet a napenergia elektromos árammá alakításának nagyobb hatásfokának az elérésében. Ennek a rekord napelemes cellának egy új fajta, 4 kisebb cellaegységekböl álló szerkezete van. Amely a napsugarat 297-szeresen képes koncentrálni és a kísérleti mérésekkel 44,7 %-os hatásfokot értek el így.
A rétegek különböz? félvezet?i a napsugár spektrumának különböz? részét képesek elnyelni illetve abszorbeálni így hasznosítani. Ezzel magyarázható tehát a hatásfok növekedése.
De mi a napsugár és mi is ez a 297-szeres koncentráció?
A Nap sugarának spektruma különböz? hullámhosszúságú fénysugarakból áll. Ebb?l a hagyományos szilíciumkristályos napelemes cellák csak egy bizonyos tartományt tudnak hasznosítani, azaz abszorbeálni. A mi esetünkben ez az utolsó el?tti sárga szín? jelleggörbe.
A napfénysugár spektruma, valamint az atmoszférában történ? részelnyelés frekvencia/hullámhosszfügg?sége az alábbi ábrán látható. Az energiamaximum ? = 483 µm-nál van.
A küls? barna vonal (sárga mez?) az 5.900 K h?mérséklet? fekete testre vonatkozó elméleti értékeket mutatja. Ezzel majdnem egybeesik az AM0 jelzés? görbe (barna mez?), míg az AM1,5 feltételek mellett érvényes értékek már jelent?sen kisebbek a ferde beesés miatti, 1,5-szörös vastagságú leveg?réteg elnyel? hatásának következtében.
A földfelszínre érkez? napsugárzás egy része elnyel?dik, más része szóródik a légkörben (pára, por, aeroszolok). Az elnyel?dés mértéke egyes hullámhossz tartományokban kisebb, más tartományokban nagyobb, ezért a sugárzás energiáját a földfelszínen a hullámhossz függvényében ábrázoló görbe meglehet?sen „csipkézett” (az is ismert, hogy az egyes „beszakadásokat” mely anyagok okozzák).
A nappálya (és természetesen az energiahozam) ismerete alapvet?en fontos a napenergia hasznosítás szempontjából (hullámhossz=fénysebesség/frekvencia).
Fontos tudni, hogy az ismert napelemek anyagi tulajdonságaiknak megfelel?en csak a szolárspektrum egy részét nyelik el (ez az oka a napelemek meghatározott színének, típustól függ?en).
Továbbá, hogy csak egy bizonyos energia alakul át az abszorpció alatt villamos energiává; tekintélyes része, mint h?energia jelenik meg, amely az átalakítás teljesítmény nélküli mellékhatása (a napelemek felmelegednek üzem közben).
Az inkább a kék spektrumokat kedvel? amorf szilícium napelemek a pólusokhoz közel teljesíthetnek jobban, míg a vörös spektrumokat a kristályos napelemek képesek kedvez?bben hasznosítani, így azok az egyenlít?höz közelebbi helyeken termelnek kicsit több energiát a fény jellemz?jének szempontjából.
Az energiahasznosítás szempontjából figyelembe kell vennünk, hogy a Föld saját tengelye körüli forgása, valamint a Nap körüli pályája következtében a napsugárzás iránya (a diffúz összetev? kivételével) folyamatosan változik (napszakok és évszakok), ezért a napelemes modul d?lési szögének optimális megállapítása igen fontos.
A napsugárzás egy része közvetlenül érkezik a földfelszínre (direkt) más része a légkörben szóródva (diffúz) egy (többnyire kis) része pedig a talajról, környezetr?l visszaver?dve (albedó-, reflexiós sugárzás). Az összetev?k aránya a mindenkori légköri viszonyok függvényében jelent?sen változik. Ezeknek az egyes összetev?k összege a globális sugárzás.
Minél magasabb az albedó értéke, annál magasabb a reflexiós sugárzás értéke, és ezzel a környezet kivilágítása, ami viszont a diffúz sugárzás növekedésével is jár. Általában 0,2 albedó értékkel lehet számolni.
Az összes fellép? sugárzási energiát tehát globális sugárzásnak nevezzük és az energia/m2 * nap összegét adja meg, pl.: télen kb. 0,7 kWh/m2 * nap, tavasz, ?sszel kb. 3,9 kWh/m2 * nap, nyáron kb. 8,0 kWh/m2 * nap.
A napelemek által termelhet? villamos energia az alkalmazás, üzemelés helyén lév? sugárzás függvénye tehát. A földünk felszínére érkez? besugárzás energiáját és spektrumának eloszlását a légköri tényez?k (felh?zet, páratartalom, szennyezettség stb.), a földrajzi helyzet, a napszak, az évszak befolyásolják.
Földünkre a Napból érkez? besugárzási energiát globális sugárzásnak nevezzük. Mint már említettük, derült id?ben a globális sugárzás két összetev?jére bontható fel: a direkt sugárzásra, amely közvetlenül érkezik a megfigyelt felületre a Napból, valamint a diffúz sugárzásra, amely a leveg? alkotórészein történ? szóródás után (tiszta id?ben az égboltról) érkezik a felületre. Borult id?ben a globális sugárzás csak a diffúz sugárzásból áll.
A (hagyományos) szilícium kristályos napelemes modulok felépítése
A napelem belsejében a fotovillamos folyamat nem okozza a napelem elhasználódását, ami azt jelenti, hogy a napelem m?ködési élettartama elvileg végtelen. A gyakorlatban a napelemek általában érzékenyek a nedvességre. Emellett a kristályos napelemek nagyon törékenyek is. Emiatt a kültéri használatra tervezett napelemeket megfelel? anyagba kell ágyazni, amely megvédi az id?járás hatásaitól és a mechanikai terhelésekt?l. Emellett a villamos szigetelés is elengedhetetlen. Az alkalmazott napelem technológiától függ?en különböz? felépítéseket és gyártási folyamatokat alkalmaznak.
Manapság az összes szilíciumkristályos napelem szeletelési technológiával készül. Míg az els? szabványos modulok 10 cm x 10 cm méret?, közelít?leg 0,3-0,4 mm vastag napcellákból készültek, manapság már nagyobb (15 cm x 15 cm), de vékonyabb ( 0,25 mm, ami a jöv?ben 0,05 mm-re csökken) napcellákat alkalmaznak. Az egyes napelemeket egy automata (stringer) sorba köti, ahogy az alábbi ábrán látható. Ez úgy történik, hogy a napelem alján végigfutó (egy vagy két) fémszalagot (rendszerint a pozitív pólus) a következ? napelem fels? rétegéhez (negatív pólus) köti. A kötést forrasztással vagy ultrahanggal hozzák létre.
A füzér (string) ily módon kiképzett kezd? és végcsatlakozásai aztán szélesebb fémszalagokkal (buszokkal) csatlakoznak egymáshoz. A folyamat minden lépésében min?ség ellen?rzést végeznek, például egy I-U görbe ellen?rzését elvégzik minden elemre mesterséges fény mellett.
A sorozatgyártáshoz ún. string automatákat állítanak be. Csak is egyedi gyártáskor lesznek a cellák manuálisan forrasztva. A legtöbb standard modulban 36 vagy 72 cella lesz sorosan kötve. A string kezdeténél és a végénél illetve 3 párhuzamos stringnél vannak az elektromos csatlakozók kivezetve.
Az így el?állított napelem mez?t ezután hermetikusan elszigetelik.
A szabvány modulokat rendszerint EVA-kiönt?gyantával (vinil-acetát kopolimer) szigetelik. Ebben a gyártási eljárásban egy vékony réteg EVA-t visznek az els? üvegrétegre, ezt követik a napelemek, majd egy újabb EVA réteg, végül a hátsó hordozó anyag, ami rendszerint egy másik üvegréteg vagy m?anyag réteg. Ezután az egész szerkezetet alacsony nyomás és túlnyomás alkalmazásával magas h?mérsékleten laminálják.
A laminálás után a modulokra villamos csatlakozókat szerelnek. A csatlakozások általában a modul hátoldalára szerelt csatlakozódobozban vannak, amely vízálló kábelbevezetésekkel rendelkezik. Az áthidaló (bypass) diódákat is ugyanez a csatlakozódoboz tartalmazza. A villamos csatlakozás vezetékei csavarokkal rögzíthet?k, bár egyre inkább terjed a szorítókapocs (WAPO) amelyek hosszú id?n át egyenletes nyomóer?t képesek kifejteni a vezetékre.
A szabvány modulok csatlakozódugasszal vannak ellátva. A csatlakozó vagy része a csatlakozó doboznak vagy a modul beszerelt csatlakozó vezetékkel (kb. 0,9 m) rendelkezik, aminek a vége szabvány csatlakozódugó (Tyco, MC3, MC4, SUNCLIX, Huber+Suhner). Ennek a rendszernek nagy el?nye, hogy a modulok könnyen és gyorsan csatlakoztathatók a telepítés helyszínén, és csak polaritás-helyesen köthet?k össze. Hátránya, hogy a modulokon és az invertereken gyárilag felszerelt különböz? csatlakozó dugók általában nem kompatibilisek egymás között, mert több gyártó saját termékét veszi el?nybe. Ezért nagyon fontos, hogy ezeket már a tervezés folyamán vegyük figyelembe.
Általában a modulok egy alumínium kerettel vannak körülvéve, amely egy adott szerkezetben a könny? rögzíthet?séget biztosítja. A moduloknak merevséget és az üvegszéleknek mechanikai védelmet is nyújt.
A keret rendszerint eloxált alumíniumból készül, a rozsdamentes acél és a m?anyag keret alkalmazása ritkább.
A napelemes modulok teljesítménye – Standard-tesztfeltételek (STC)
Azok a feltételek, amikor egy cella (vagy modul) áramer?sség- és a feszültség értékei mérve lettek és a modul adatlapján ezek fel vannak tüntetve. Ez az adatmegadás nemzetközileg elfogadott standardértékelés a modulméretezésben.
E = 1.000 W/m², T = 25°C cellah?mérséklet, AM = Nap-spektrum = 1,5.
Minden modul bázisadata az adatlapon lév? laborkörülmények mellett tesztelt adatok. Ezt a laborkörülményt STC-nek (Standard Test Conditions) nevezik.
A teljesítményadatok, mint áramer?sség, feszültség és teljesítmény standard-tesztkörülmények mellett egy 1 m²-es besugárzott modulfelületre nézve, 25 °C alatt és az IEC 904-3 (1989) III. részének szabványa szerint meghatározott napfény spektruma és egy AM 1,5 (Air Mass) mellett érvényesek. Az így elért teljesítményérték “Wp” egységgel van ellátva.
Egy modul teljesítménycsökkenése nyáron magas h?mérsékletek esetében az STC érték 35%-a alatt is lehet. Ennek a teljesítménycsökkenés minimalizálása érdekében a moduloknak jól le kell tudniuk adni a bennük keletkezett h?t a környezetnek (megfelel? hátsó h?tés).
A napelemes cella hatásfoka mindig nagyobb, mint a modul hatásfoka!
A cellák a szolármodulban, a cella típusától függ?en bizonyos sortávolságokban és oszloptávolságokban vannak beépítve, amik a modulok különböz? hatásfokára is kihatnak.
A valóságban a különböz? napelemek hatásfokai az elméletit?l jelent?sen eltérhetnek, melyek okai a különböz? veszteségek, mint az ohmikus veszteség (az ellenállások csökkentik a rövidzárási áramot), az optikai veszteség (kontaktus árnyékoló hatása) reflexiós, transzmissziós, rekombinációs veszteség (amely csökkenti az Ir-t és az Uu-t).
A PV-modulok gyártása a DIN EN 61215 IEC-el?írás szerint történik. Alapja a 931/121548-01 számú továbbá a II. védelmi osztályú TÜV-tanúsítás.
A szilícium kristályos napelem cellák h?mérséklet emelkedéskor csökken? teljesítménnyel reagálnak. Minél jobban felmelegszenek a napelem cellái annál kevesebb áram termel?dik. Ugyan akkor meg kell jegyezni, hogy ez a problémás jelenség igen ritka és csak a legforróbb nyári napokban releváns. De már az ilyen napokon is el?nyös a tervezéskor jól átgondolt hátsó szell?ztetési lehet?ség. Az egyes modulok kereteiben integrált szell?z? hézagok pl. gondoskodnak a h?érzékeny cellák hátsó oldali állandó légh?tésér?l.
A h?mérsékletre vonatkozó megfontolások a gyakorlatban azt jelentik, hogy nem szabad megengedni a felületi h?mérséklet túlzott megemelkedését. A cellák er?s leh?tése földi körülmények között nagyobb energia befektetésével járna, mint amennyi energiát a cellák termelnek. Az er?sebb leh?tésnek azért sincs értelme, mert a félvezet? fajlagos ellenállásának megnövekedése a soros ellenállások megnövekedéséhez vezetne, ami a hatásfok javulását nem teszi kihasználhatóvá. A fajlagos ellenállás megnövekedésének okai a mozgékonyság és a töltéshordozó koncentrációk csökkenése.
Tehát a szükséges PV-generátor teljesítmény nagyságát befolyásolja az alkalmazni kívánt napelemes modulok hatásfoka.
Tudjuk, hogy a napelemes modul hatásfoka mindig kisebb, mint az abban beépített cellák hatásfoka. Ami a leadott elektromos teljesítmény és a felületre besugárzott teljesítmény hányada: ? = PNévl / (AModul x 1.000 W/m²) x 100%.
Magyarázat:
A modulfelület a cellák „hasznos“ felülete plusz a cellák egymás között betartandó cellatávolság (standard szilíciumkristályos moduloknál ez tipikusan 2-3 mm) és a minden oldali kerettávolság mérete.
E rövid kitér? bemutatás után most visszatérek az említett csúcshatásfokkal rendelkez? többréteg? koncentrátoros cellára.
Amíg a hagyományos szilícium kristályos alapú napelemes cellák a Nap spektrumának maximum 18-23%-át képesek hasznosítani, ezek a szabad szemmel is látható sugarak, úgy a kísérleti fázisban lévö cella a maga 44,7%-os hatásfokával a Nap spektrumának energiájából az ultraviolett?l (a görbe bal oldali része) egészen a hosszú hullámú h?sugarakig (jobb oldal rövid része az infravörös irányában) képes elektromos energiává alakítani. Az utóbbi tehát egy lényeges lépés a szoláráram további költségcsökkentésére és az 50%-os napelemes cella kifejlesztésének útján.
De az ilyen 3-5 réget? koncentrátoros napelemes cellákat a koncentrátoros napelemes (CPV) technológiába és nagyméret? napelemes er?m?vekbe tervezik elsösorban, amelyekkel a világ napsugárintenzív területein (Olaszország, Franciaország, Délafrika és Kalifornia, ahol a direkt sugárzás aránya nagyobb) dupla akkora nagyságú hatásfokok elérése válik lehet?vé, mint a hagyományos napelemes eröm?vekkel lehetséges az lenne.
Tehát ez az új koncentrátoros napelemes cella nem fogja egyhamar az Európában hagyományos napelemes cellákat kiváltani.
2014.02.23. | Michael Debreczeni, Dipl.-Ing. (FH), megújuló energiák, Greentechnic Hungary Kft.
