Napelemekről általánosságban

Meddig működik egy napelemes rendszer?

A napelemes rendszerek átlagosan tervezett élettartama 30-40 év szokott lenni. A bankok altalaban 20 évvel számolnak üzleti tervekben nagyobb napelemerőműveknél. A húsz évet tehát vehetjük elvárható minimumnak.

Azt is hozzá kell tenni, hogy ebben a 30-40 évben minden komolyabb befektető úgy szokott számolni, hogy a solarinvertereket várhatóan a félidőben cserélni kell - egyszerűen bizonyos elektronikai alkatrészek az általános tapasztalatok szerint eddig bírják. Tehát a napelemes rendszer élettartama alatt egy solarinverter cserével azért számolni kell, de a napelemeknek, kábeleknek, napelem tartószerkezetnek -rögzítésnek (amennyiben rozsdamentes acél és alumínium rögzítést használtunk - és nem horganyzottat!) ki kell bírniuk a 30-40 évet is.

De mi történik a huszadik év után? Vannak már példák, amiket ilyenkor érdemes lehet megnézni. Ilyen volt a 90-es évek elején Németországban indított "1000 tető" program, amit a szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium finanszírozott, és 70%-os támogatást adott az akkor még nagyon borsos árú napelemes rendszerre. Az egyik német egyetem épp ennek járt utána (a PV Magazine pedig megírta), hogy mi a helyzet az akkor telepített napelem rendszerekkel. Néhány meglepő eredményt találtak.

Minimális napelem degradáció.

Egy Lipcse melletti napelemrendszer például több, mint 20 év után is évi átlagos 800-900 kWh áramot termel kilowattonként.

Azaz szinte semmivel se kevesebbet, mint az új telepítési napelemrendszerek a szászországi időjárás mellett (itthon 1100-1200 kWh áram várható 1kWp napelemes rendszertől, kicsit délebbi és naposabb klímánk miatt).

A napelemek teljesen megfelelő állapotban vannak - ami azért is érdekes, mert a 90-es években még sok gond volt a laminálással, még nem voltak olyan időtálló ragasztó, lamináló anyagok, mint amiket ma használnak. Semmilyen elszíneződés nem látható rajtuk. Az invertert maximum egyszer cserélték, ahogy az várható is volt.

A Chemnitz-i Egyetemen összesen 102 napelemes rendszert vizsgáltak meg, ami a 90-es évek "1000 tető" programjában került kiépítésre. Az egyik érdekesség, hogy a napelemek többsége ma is 90-95%-os teljesítményt hoz. Azaz a napelem gyártók által és általunk 80%-os, 25 évre szóló teljesítménygarancia valójában egy óvatos vállalás, a szilícium degradációja a gyakorlati tapasztalatok alapján jóval a várt 0.8% alatt van. Voltak olyan napelemegyártók, akik solarmoduljainál magasabb visszaesést mértek, de még ott is 80% felett voltak, és a vizsgálatok szerint még legalább 5 év működés ma is elvárható a legtöbb napelemtől.

Ma is működő inverterek

Ami még meglepőbb volt, hogy az inverterek is meglepően jól tartották magukat. Az esetek felében még ma is, 20-23 év távlatában is működik az eredeti inverter. Itt gyártónként azonban nagy volt a szórás: a Siemens invertereinek 80%-át kellett már cserélni, az SMA invertereknél 53%-ukat. Ez utóbbi már összhangban van a mai elvárásokkal is. Néhány, ma már nem is ismert gyártó (ASP és UFE) invertereinek például mindegyike azóta is működik, azaz 0% volt a cserearányuk.

Összességében tehát a solarinvertereknél továbbra is jobb 15 évre tervezni, de a gyakorlat azt mutatja, hogy a 20-25 éves élettartam egyáltalán nem lehetetlen.

A ma is működő napelemes rendszereket természetesen eszük ágában sincs gazdáinak lecserélni: már sokszorosan megtermelték a bekerülési árukat, "enni nem kérnek", azaz további költséget - amíg az inverter bírja - nem jelentenek, gyakorlatilag valóban ingyen termelik a várt időn túl is az áramot. Sőt, egy solarinverter cserével, vagy főjavítással - még ha csak 80-90%-on termelve is - megérheti tovább üzemeltetni. A mai nagyobb, jó minőségű alapanyagokat felhasználó napelemgyártók solarmoduljai az elmúlt húsz év tapasztalatait hasznosítva, lényegesen jobb laminálási anyagokkal várhatóan felül is múlják majd a 90-es évek napelemeit, és elérhetik akár a 30-40 éves élettartamot is.

forrás: PV Magazine, napelemek.blog.hu

A napelemek működése, típusai

A napelem cella két különböző, egymással összekapcsolt, vékony rétegű félvezető anyagot tartalmaz. Az egyik félvezető a p-típusú (pozitív) szennyezést, a másik az n-típusú (negatív) szennyezést kap. Ezek a félvezetők általában szilíciumból készülnek, de készülhetnek más anyagokból is. 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 kis mennyiségű foszforral szennyeznek. A szennyezési eljárás által az anyag a rácskötésekben nem résztvevő szabad elektronokkal fog rendelkezni, és éppen ezért lesz ez a negatív félvezető. A p-típusú félvezetők is kristályos szilíciumból készülnek, melyet kis mennyiségű bórral szennyeznek, és ezáltal elektronhiány lép fel benne, és ezen elektronhiányok („lyukak”) miatt lesz a pozitív félvezető. A két ellentétes szennyezésű réteg összeillesztésénél a lyukak és az elektronok semlegesítődnek („rekombinálódnak”) s eközben közöttük feszültség jön létre.

A napelemre eső napfény energiával rendelkező részecskékből, fotonokból áll. Amikor a megfelelő hullámhosszúságú fény a napelemre esik – a pozitív-, és a negatív tartomány közötti semlegesített zónába nyelődik el–, akkor a fény fotonjai energiájukat átadják az anyagban az elektronoknak, amelyek szabaddá válnak, és vándorlásuk által vezetik az áramot. Az elektronok helyén az anyagban „lyukak” keletkeznek, amelyek szintén képesek elmozdulni. Amikor a fotonok gerjesztik az elektronokat, a kiugrott elektronok a negatív, a lyukak a pozitív oldal felé fognak áramolni, így jön létre az elektromos tér és az ebből adódó feszültség.
Ha a napelemhez külső áramkört kapcsolunk, akkor a mozgó elektronok a félvezetőn 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.

Polikristályos napelem

A polikristályos napelem a szilícium alapú napelemek közé tartozik. Magyarországon az egyik legelterjedtebb típus. Gyártási technológiája hasonló a félvezetők gyártásához, mint a tranzisztorok, processzorok, memóriák.

A polikristályos alapanyagot speciális - ún. irányított lehűlési gradiensű - öntési eljárással nyerik a tisztított szilíciumból. A kiöntött polikristályos tömböt öntecsnek nevezik. A polikristályos anyagszerkezet tulajdonképpen oszlopos egykristályszemcsék együttesét jelenti, tehát nem homogén egykristály. Az öntési eljárás jelentős energiamegtakarítást jelent az egykristályhúzáshoz képest, ugyanakkor nagy, 500 mm-nél nagyobb élhosszúságú hasáb alakú polikristálytömbök gyártását teszi lehetővé, amint a képen látható. A szilícium öntecst szétfűrészelik vékony lapokra. A szétfűrészelés jelentős veszteséggel jár, mert a vágás során a cellák kb 40%-a széttörik és használhatatlanná válik.
A téglalap alakú cellák többszöri hőkezelés és felületkezelés után képesek a megadott hatásfok elérésére. A cellák kezelése után forrasztják rá az ónszalagot, laminálják és megkapja az alumínium keretet. A gyártási folyamat végén tesztelik. A teszt két részből áll. Egyrészt magában foglalja a termelési adatok ellenőrzését egy úgynevezett napszimulátor segítségével, másrészt vizsgálják a külső hatásokkal szembeni ellenállását, pl jégeső.

A polikristályos napelemeket egyszerűen kristályos napelemeknek is nevezik, ha közelről megnézzük a cellát, látszódnak a szabálytalan elrendezésű kristályok. A kristályokat tömbben, azaz öntecsben növesztik, majd szeletelik vékony szeletekre, így kapják a cellákat. Az egyes cellák ónszalaggal vannak összeforrasztva, majd többrétegű védőburkolatba helyezve. Hatásfokuk 13-16%, amivel a középkategóriába tartoznak.

Monokristályos napelemek

Egykristályos napelemeknek is nevezik ezeket a napelemeket. Azért egykristály, mert a gyártástechnológia során egy henger alakú hatalmas kristályt növesztenek, majd ezeket vágják szintén vékony szeletekre. A szeleteket a polikristályos napelemhez hasonlóan összeforrasztják, többrétegű védőburkolatba helyezik és így állítják össze a napelem táblát. Hatásfokuk a kereskedelmi forgalomban kapható szilícium alapú napelemek között a legmagasabb, 14-18%. A magasabb hatásfokhoz viszont magasabb ár is tartozik.

A monokristályos szerkezet a direkt napfényt részesíti előnyben, hiszen míg a monokristályos napelem a forró égövön, vagy kifejezetten direkt napfénynél nyújt jobb teljesítményt, addig a polikristályos szerkezetű napelemek jobban szeretik az északibb területek nem annyira direkt, szórt fényét.

A poli- és monokristályos napelemek összehasonlítása

Több, mint hatvan éve létezik az a napelemtechnológia, amely alapjaiban határozta meg a jelen kor technikai fejlődését. Ennyi idő bőségesen elegendő egy objektív összehasonlításhoz.

1954-ben kezdődött el a napelemek jövője
1954 óta gyártják és finomítják a hosszú élettartamú szilícium félvezető réteggel készült, kristályos napelemeket. Ezeket a mai napig sorosan kötve, üveg előlap és műanyag hátlap közé laminálva készítik, hogy minél jobb hatásfokon legyenek képesek a napfényt felvenni és árammá konvertálni.

A kristályos napelemek, gyártási technológiájuknak megfelelően kétfajta cellaszerkezettel készülnek:

  • polikristályossal, amelynek négyzet alakú napelem cellái a szilícium több kristályos alakba dermedése során nyerik el formájukat, valamint
  • monokristályos szerkezettel, amelyek a homogén, tömbös szerkezet laponkénti felszeletelésével valamint nyolc élre vágásával nyerik el nyolcszög alakjukat.

A polikristályos szerkezet előnye a gyors gyártás

A polikristályos szerkezet kialakítása során a cél az, hogy számos kisebb kristályból álljon össze végül a napelem, így előállítása lényegesen kevesebb időbe kerül.
A rövid idejű előállításnak köszönhetően pedig a gyártási folyamat energiaszükséglete is jóval kevesebb, mint a monokristályos, tömbnövesztéses módszer energiaigénye, vagyis akár el is billenhetne a képzeletbeli mutatónk a polikristályos szerkezet javára.
Az elmúlt évek során el is billent mérleg a polikristály szerkezet felé, de ennek nincs más oka, mint az egyszerűbb, olcsóbb és gyorsan gyártástechnológia. Kijelenthetjük azt is, hogy a drágább monokristályos szerkezetű cellát előállítani vagy felhasználni csak komolyabb, nagyobb gyártók vállalnak fel.
Ugyanakkor, Közép-Európa területén az éves hozamban mérhető lényegi különbség szinte nem is érzékelhető.

Piacon megfigyelhető változások

Bár idén már megfigyelhető az a tendencia, hogy polikristályos piacon kialakult túlzott árverseny miatt sok gyártó visszahozta portfóliójába a monokristályos paneleket vagy akár teljesen be is szűntették a polikristály modulok gyártását.

Napjainkban a piacon kapható poly modulok közül a legerősebb 60 cellás változat 290-300 Wattpeak teljesítményben volt elérhető, míg a monokritályos modulok közül akár már 340-360 Wattpeak modulokkal is lehet találkozni, ugyan ebben a méretben, kategóriában.

A különbség a hétköznapokban minimális

A polikristályos, valamint monokristályos cellákból álló napelemek felhasználásában, a mindennapi gyakorlatban csak igen kismértékű különbség van. Azonban a monokristályos napelem rendszerek kiépítése fajlagosan többe kerülhet, mely egyes esetekben akár a megtérülés rovására is mehet.

Összességében tehát mindkét modellnek meg van a maga előnye és hátránya, ám alapos felmérést követően biztonsággal meg lehet állapítani, hogy az adott napsugárzási mutatók mellett, természetesen a területi adottságok figyelembevételével melyik típus képes a kívánt mennyiségű elektromos áramot előállítani.