A napelemek elektromos energiát állítanak elő a napsugárzás hatására. A folyamatot először Einstein definiálta és a fotoelektromos effektus elve elnevezést adta neki, amelyért később Nobel díjjal jutalmazták. A napelem cellákból épül fel, melyek a napfényt elektromos árammá alakítják. Minden cellában félvezető rétegek találhatók. A cellákra eső fény elektromos mezőt hoz létre a rétegek között, és áram jön létre.

A jelenleg forgalomban levő napelemek többsége szilíciumból készül, mivel a szükséges nyersanyag ár és napelem hatásfok tekintetében ezek a típusok a legversenyképesebb. A növekvő piaci kereslet folyamatos fejlesztésre, innovációra ösztönzi a napelem gyártókat. Kutatások fő irányvonalai alacsonyabb költségű alapanyagok kikísérletezése illetve a hatásfok növelése. Azonban jelenleg még nem fejlesztettek ki olyan új napelem típust, ami veszélyeztetné a szilícium kristályos napelemek nagyarányú elterjedését.

 

Napelem típusok

A napelemeket alapanyaguk és gyártási technológiájuk alapján a következő csoportokba sorolhatjuk.

Mono- és polikristályos napelemek: a kristályos napelemeket 1954 óta gyártják tömegesen, a legkiforrottabb technológiát képviselik. Nagy tisztaságú szilícium cellákból épülnek fel, amelyek sorba kötve és vízmentesen egy üveglap és egy műanyag hátlap közé laminálva kerülnek gyártásra. A cellák gyártási technológiája alapján megkülönböztetünk monokristályos és polikristályos cellákat. A két típus között nincsenek jelentős különbségek, a polikristályos cellákból felépülő napelem modulok jobban hasznosítják a szórt fényt, pl.: borult időben hatékonyabb, mint a monokristályos napelemek, amik viszont tiszta, napsütéses időben többet termel. A tapasztalat azt mutatja, hogy magyarországi telepítésnél majdnem mindegy, hogy melyik fajtát választjuk, hiszen a két típus éves termelése közel azonos és az áraikban sincs jelentős eltérés. Hatásfokuk: kb. 14-18%.

 

Amorf napelemek: vékonyrétegű vagy vékonyfilmes technológiai eljárással készült napelemek esetében a félvezető réteget (ami lehet szilícium, de használnak más alapanyagokat is, mint például kadmium tellurid stb.) kémiai vagy fizikai lecsapatással közvetlenül az üvegre, vagy más hordozó felületre viszik fel vékony filmrétegként, így egy egységesen bevont felület jön létre. A vékonyrétegű napelemek kevésbé elterjedtek, mivel alacsonyabb a hatásfokuk, épp ezért nagyobb felületet igényelnek a telepítésnél. Jobban viselik a meleget, a fenti napelem típusokkal szemben nem csökken a hatásfokuk a napelem modul hőmérsékletének emelkedésével, ezért előszeretettel használják forróbb égöveken (pl: sivatagokban). Hatásfokuk: kb. 8-10 %.

A napelemek élettartama jellemzően 30-40 év, a gyártók általában 10 év teljes körű garanciát és 25 év teljesítmény garanciát vállalnak a napelem modulokra.

 

Napelemek teljesítménye

A napelem modulok teljesítménye típusonként különböző lehet, alapvetően 100-300 W között mozognak. A modulok leadott teljesítménye nem állandó, a hőmérséklet és fényviszonyok pillanatnyi változásának hatására folyamatosan változik. Épp ezért mindegyik gyártók azonos, előre rögzített körülmények között mérik le a legyártott modulok teljesítményét. Az azonos körülményeket – angol elnevezése Standard Test Conditions (STC) - a következő paraméterek határozzák meg:

  • 25 °C-os modul hőmérséklet
  • 1000 W/m2 besugárzási érték (a napelemre merőlegesen érkező napsugárzás mennyisége)
  • 1,5 AM ( „air mass”, lényegében azt határozza meg, hogy napfény a függőlegeshez -1 AM - képest mekkora légkörön hatol át. 1,5 AM-nél a napfény nem merőlegesen, hanem laposabb szögben érkezik, és „1,5 légkörön hatol át”.)

Az STC paraméterek mellett bemért teljesítmény lesz a napelem névleges teljesítménye. Fontos tudni, hogy ez nem a csúcsteljesítménye (habár Wp – Wattpeak – mértékegységet használják rá – a peak angolul csúcsot jelent) a napelem tud ennél többet és kevesebbet is teljesíteni.

Mivel az STC által meghatározott körülmények a természetben ritkán állnak fent egy időben (pl: 1000 W/m2 besugárzásnál a modulhőmérséklet általában magasabb, mint 25 C°). Mivel a modul, illetve a cella hőmérséklete jelentős hatással van a napelem teljesítményére, ezért a legtöbb gyártó a napelem adatlapján közé teszi a NOCT értékek alapján megmért napelem teljesítményt is. A NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) a cella névleges működési hőmérsékletét határozza meg a következő körülmények között:

  • 20 °C-os levegő hőmérséklet
  • 800 W/m2 besugárzási érték
  • 1 m/s szélsebesség

Az így meghatározott cella hőmérséklet mellett is lemérik a napelem modul teljesítményét (és az egyéb elektronikai paramétereit) és ezeket is feltüntetik az adatlapon. A NOCT értékekkel mért napelem teljesítmények jóval alacsonyabbak, mint az STC paraméterekkel mértek.

Egy tetszőlegesen kiválasztott napelem modul táblázata, ahol feltüntették az STC és a NOCT paraméterekkel számolt mutatókat is:

STC CS6P-235P CS6P-240P CS6P-245P CS6P-250P CS6P-255P
Nominal Maximum Power (Pmax) 235W 240W 245W 250W 255W
Optimum Operating Voltage (Vmp) 29.8V 29.9V 30.0V 30.1V 30.2V
Optimum Operating Current (Imp) 7.90A 8.03A 8.17A 8.30A 8.43A
Open Circuit Voltage (Voc) 36.9V 37.0V 37.1V 37.2V 37.4V
Short Circuit Current (Isc) 8.46A 8.59A 8.74A 8.87A 9.00A
Module Efficiency 14.61% 14.92% 15.23% 15.54% 15.85%
Operating Temperature -40°C - +85°C
Maximum System Voltage 1000V (IEC) / 600V (UL)
Maximum Series Fuge Rating 15A
Application Classification Class A
Power Tolerance 0 ~ +5W
Under Standard Test Conditions (STC) of irradience of 1000W/m², spectrum AM 1.5 and cell temperature of 25°C
NOCT CS6P-235P CS6P-240P CS6P-245P CS6P-250P CS6P-255P
Nominal Maximum Power (Pmax) 170W 174W 178W 181W 185W
Optimum Operating Voltage (Vmp) 27.2V 27.3V 27.4V 27.5V 27.5V
Optimum Operating Current (Imp) 6.27A 6.38A 6.49A 6.60A 6.71A
Open Circuit Voltage (Voc) 33.9V 34.0V 34.1V 34.2V 34.4V
Short Circuit Current (Isc) 6.86A 6.96A 7.08A 7.19A 7.29A
Under Normal Operating Cell Temperature, Irradiance 800W/m², spectrum AM 1.5 ambient temperature 20°C, wind speed 1m/s.

A napelemek teljesítményét befolyásoló tényezők:

  • hőmérséklet (a napelem modul hőmérsékletének emelkedésével csökken a hatásfoka)
  • napsütés intenzitása
  • napsugarak beesési szöge
  • napelemek dőlési szöge és tájolása (Magyarországon a déli tájolás és a 35°-os dőlésszög az ideális)
Napsugárzás mértéke és 1 kWp napelem várható éves áramtermelése Magyarországon.
A napelemek teljesítményének alakulása különféle tájolás és dőlésszög esetén, ideális: Dél, 35°, 100%

A napelem hatásfoka:

A napelem hatásfoka alatt azt értjük, hogy egységnyi felületen a napelem tábla hány Watt energiát képes előállítani, képlete a következő:
Ez a gyakorlatban a következőképpen néz ki egy 265W-os teljesítményű, 0,991m×1,649m-es nagyságú napelem modul esetén: Ez a napelem 1 m2-nyi felületen 1000W besugárzásból 162W teljesítményt állít elő.

Hogyan készül a napelem?