Megújuló energia-út 7 - Zala megyei vállalkozásfejlesztési alapítvány

Aktív napenergia hasznosítás – villamosenergia-előállítás

A napelemek szerkezete és működése
A fényelektromos rendszerek alapegysége a fényelem, a napcella. A cella két különböző, egymással összekapcsolt, vékony rétegű félvezető anyagot tartalmaz. Az egyik félvezető a p-típusú (pozitív), a másik az n –típusú (negatív). Ezek a félvezetők általában szilíciumból készülnek, de készülhetnek más anyagból is. A photovoltaikus cella/napelem szilíciumból készül. A szilícium – stabilitásából adódóan – elméletileg korlátlan ideig változatlan marad, így igen alkalmas ilyen célokra történő alkalmazása.
Az n – típusú félvezetők kristályos szilíciumból készülnek, amelyet igen kismennyiségű foszforral szennyeznek. A szennyezési eljárás által az anyag fölösleges szabad elektronokkal fog rendelkezni, és éppen ezért lesz negatív félvezető. A p-típusú félvezetők is kristályos szilíciumból készülnek, de kis mennyiségű bórral szennyezettek, és ezáltal elektronhiány lép fel bennük, ezért ezek lesznek a pozitív félvezetők, a pozitív töltések túlsúlyba kerülése miatt. A két ellentétes töltésű félvezető körül elektromos mező jön létre, ez okozza a különböző töltésű részecskék ellentétes irányba történő áramlását. A napelemre eső napfény energiával rendelkező részecskékből fotonokból áll. Amikor a megfelelő hullámhosszúságú fény a napelemre – pozitív-, és a negatív félvezető kapcsolódására – esik, akkor a fény fotonjai energiájukat átadják az anyagban található elektronoknak, így azok magasabb energiaszintre jutnak. Az anyagban a szomszédos atomokat ún. vegyérték-kötés tartja össze, a magasabb energiaszintre került elektronok miatt, így azok nem tudnak elmozdulni a helyükről. A gerjesztett elektronok szabaddá válnak, és vándorlásuk által vezetik az áramot. Az elektronok helyén az anyagban „lyukak” keletkeznek, amelyek szintén képesek elmozdulni. A kapcsolat körül fordított elektromos mező alakul ki, negatív a pozitív vég, pozitív a negatív vég körül. Amikor a fotonok gerjesztik az elektronokat, a kiugrott elektronok a negatív, a lyukak a pozitív vég felé fognak áramlani, így jön létre az elektromos áram. Ha a napelemhez külső áramkört kapcsolunk, akkor a mozgó elektronok a félvezetők át a cella tetején lévő fém csatlakozó felé áramolnak, míg a „lyukak” ellentétes irányba, a cella alján lévő fém csatlakozó felé, ahol feltöltődnek elektronokkal a külső áramkör másik oldaláról (a cella tetejéről). Ezt a feszültséget a belső elektromos mező (amely a p-n kapcsolódás helyén jön létre) termeli. A fotoelektromos cella 0,5 V elektromos áramot képes termelni, egészen 2,5 A áramerősségig, amely 1,25 W-nak felel meg.

A napelemek típusai

Monokristályos szilícium elemek
Az 1990-es évekig a napelemek jórészt teljesen tiszta monokristályos szilíciumból készültek, ami egy egyszerű és folyamatos rácsszerkezetű szilíciumkristály, szabálytalan részek és szennyezőanyagok nélkül. A hagyományos szilícium napelemnek néhány száz mikron vastagságúnak kell lennie ahhoz, hogy a ráeső fotonok nagy részét abszorbeálja. Napelemeket azonban nemcsak szilíciumból, hanem más fotoelektromos anyagokból is lehet készíteni, mint például gallium-arzenidből.

Gallium-arzenid elemek
A gallium-arzenid (GaAs) ún. összetett félvezető, a szilíciumhoz hasonló kristályos szerkezettel rendelkezik. Fotoelektromos elemek készítésére igen alkalmas magas fényabszorpciós koeficiense miatt. Relatív magas hőmérsékleten is működnek anélkül, hogy a teljesítményük érezhetően csökkenne, ellentétben a szilíciummal és sok más félvezetővel. Alapjában véve azonban a gallium-arzenid elemek sokkal drágábbak, mint a szilícium modulok, ennek pedig az az oka, hogy gyártására még nem léteznek megfelelően kiforrott technológiák, és a GaAs jóval ritkább anyag, mint a Si.

Amorf szilícium napelemek
Az amorf szilícium napelemek esetében a szilícium atomok kevésbé rendezetten helyezkednek el, és az atomok kevésbé kötődnek szomszédaikhoz, mint a kristályos változatában. Ezen típusú napelemekben egy vékony pozitív típusú amorf szilícium réteg van legfelül, alatta egy vékonyabb, teljesen tiszta, valódi amorf szilícium-réteg, majd ez alatt egy negatív típusú amorf szilícium réteg. Az ilyen típusú napelemek működése a kristályos szilícium elemekéhez hasonlít, és csak a bennük levő atomok közötti kötésekben térnek el egymástól. Az amorf szilícium napelemek előnye, hogy előállításuk olcsóbb, rétegeik vékonyabbak, jobban abszorbeálják a fényt, valamint merev vagy rugalmas keretekbe egyaránt helyezhetők. Hátrányuk, hogy teljesítményük jóval alacsonyabb, mint a kristályos szilícium elemeké.

Multikapcsolatos fotoelektromos elemek
A multikapcsolatos fotoelektromos elemekben kettő vagy több fotoelektromos filmet rétegeznek egymásra, minden réteg a beérkező napsugárzás más-más spektrumából köt meg energiát. Ha az amorf szilíciumot szénnel szaporítjuk fel, akkor a kapott anyag a spektrum kék végére eső fényt hasznosítja jobban. Ha azonban germániummal szaporítjuk fel, a beeső fény spektrumának vége felé eső fényt hasznosítja jobban. A magasabb energiájú fotonok a spektrum kék, míg az alacsonyabb energiájúak a vörös színtartományba esnek. Adott számú napelem esetén úgy is növelhetjük a nyert energiamennyiséget, ha tükrökkel a napelemre koncentráljuk a sugarakat. A koncentráló rendszerek legegyszerűbb formája a napelem egész felületére azonos mennyiségű energiát koncentrál.

Foto-elektrokémiai elemek
A Swiss Federal Institute of Technology dolgozta ki ezt a technológiát, amely során olcsó és nagy teljesítményű elemeket állítanak elő. Egy elem két vékony üveglapból áll, amelyeket vékony, átlátszó, elektromosan vezető ón-oxid réteg borít. Az első lapra felvisznek egy vékony félvezető, titanium-dioxid (TiO2) réteget, ami félvezető. A TiO2 réteg felszínét érdessé teszik, hogy a fényabszorpciós képességét megnöveljék. Az érdesített felszín után közvetlenül fényérzékeny festékréteg következik, ami mindössze egy molekularétegnyi, és ruthénium vagy ozmium alapú fémkomplexből áll. A fényérzékeny TiO2 réteg és a másik üveglap között vékony jód-alapú elektrolit réteg van.

A napelemek alkalmazási területei
- Lakóházak, tanyák áramellátása.
- Közszükségleti cikkek, pl. számológépek, órák, játékok, rádiók, televíziók, akkumulátortöltők áramforrásának biztosítása.
- Helyi telefonközpontok áramellátása.

Villamos hálózattal kapcsolatban lévő energiatermelő rendszerek kialakítása.
Ezeknél a fényelemmel szolgáltatott áramot elektronikus módszerrel váltóárammá alakítják, ezt először 800 V-ra, majd 20 KV-ra transzformálják, és az áramot betáplálják a közüzemi hálózatba. Az USA kutatóinak tapasztalata szerint a napenergia hasznosításával a családi házak fűtési energiaszükségletének mintegy 80-85%-át lehetne biztosítani az egyenlítőtől a 45. szélességi fokig terjedő napsütéses övezetben.
Napenergiával különböző járműveket is üzemeltetnek, pl. elektromos autókat, motorcsónakokat, repülőgépet.

A napelemeket nemcsak a Földön, hanem a világűrben is alkalmazzák.
Az űrben történő alkalmazás előnyös, mert itt a sugárzási energia gyengítetlenül érkezik a munkafelületre, és a munkafelület folyamatos megvilágítása biztosítható. A mesterséges bolygók számítógépeinek, rádió-adókészülékeinek energiaellátását 100 W nagyságrendű napelem-energiaforrás biztosítja. Az űrállomások napenergia-szolgáltató egységei kW nagyságrendűek (Lásd az alábbi táblázat). Itt nemcsak a fedélzeti számítógépek, az audiovizuális adóvevő berendezések üzemeltetése, hanem a kísérletek és az emberi élet feltételeit biztosító sokrétű energiaszolgáltatás is feladat. Az űrállomások energiaellátásával kapcsolatos tapasztalatok, ismeretek azért is rendkívül fontosak, mert Földünk elzárt egységeinek (tanya, sziget, gépjármű, stb.) napenergiával való ellátásánál ezek a tapasztalatok hasznosíthatók.

	Skylab	Szaljut 7.
Méret (átmérő×hossz)	6,7 m × 25,4 m	4,15 m × 15 m
Térfogat	345 m3	180 m3
Napelemtáblák felülete	220 m2	116 m2
Napelemtáblák teljesítménye	8,4 kW	7,0 kW
Éves termelt energia	265 GJ	221 GJ

A naperőművek
A naperőművekben MW nagyságrendű teljesítményeket állítanak elő. Tükröket félkör alakban úgy helyeznek el, hogy azok a visszaverődő sugarakat egy magas betontoronyra gyűjtsék össze. Az ott elhelyezett vízzel telt csövekben nagynyomású gőz keletkezik, amivel áramfejlesztőket lehet működtetni. A naptorony-erőművek tükörrendszere álló vagy mozgatható tükrökből áll. Naptorony-erőművek működnek az USA-ban, Kaliforniában, Mexikóban, Izraelben, Franciaországban, Németországban és Japánban. Az erőművek toronymagassága 60-450 m között változik. A tükrök száma 100-2000. A tükröző felületek nagysága 1000 m2-1,6 km2, teljesítményük 60 kW-tól 500 MW-ig terjed. Vályú alakzatú, vonalfókusz-kollektorokkal az USA-ban és Kairóban 2,5-100 MW-os naperőműveket üzemeltetnek. 5 MW-os sóstó energiatároló és átalakító naperőműveket 1984 óta működtetnek az USA-ban és Izraelben. Napenergiával hidrogént is előállítanak technológiai és energiatárolási céllal.

Angol kutatók űr-naperőmű tervüket 1968-ban szabadalmaztatták. Az űrben felépített, 50 km2 felületű, 50 tonna tömegű, 5 GW teljesítményű adóerőmű sugárzási energiáját mikrohullám- vagy lézerösszeköttetéssel földi vevőerőmű szolgáltatná a fogyasztóknak. A számítások szerint azonban ez a jelenlegi módszerekkel termelt áram költségeinél 3-5-ször drágább lenne.

A napenergia földi alkalmazásánál gondot jelent, hogy a sugárzási energia a munkafelületre a légkörön át, annak szennyező abszorpciója után, gyengülve érkezik, és a munkafelületnek csak periodikus megvilágítása biztosítható. Ez inkább közvetett alkalmazásra ösztönöz.

	Zala Megyei Vállalkozásfejlesztési Alapítvány
	*A vállalkozások tanácsadója*