NAPKOLLEKTOROK, NAPELEMEK, HŐSZIVATTYÚK, SZÉLGENERÁTOROK

A napelem vagy fotovillamos elem a nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja villamos energiává. Az energiaátalakítást a félvezető alapanyag végzi, mégpedig oly módon, hogy az elnyelt sugárzás közvetlenül villamos töltéseket hoz létre az anyagban, melyet a kialakított villamos tér szétválaszt, és a villamos áram a külső áramelvezető kontaktusokon keresztül elvezethető.

A ma gyártott és a napelemes áramforrásokban tömegesen alkalmazott napelemek szinte kizárólag szilícium alapanyagból készülnek. A szilícium földünkön a második leggyakrabban előforduló elem. Közismert előfordulási formája a homok, a szilícium-dioxid, melyet termikus-kémiai reakcióval redukálnak, majd tisztítanak.

A jelenleg alkalmazott és a közeljövőben alkalmazásra kerülő, hosszú élettartamú, nagy hatásfokú napelemek egykristályos (monokristályos), illetőleg polikristályos szilícium felhasználásával készülnek. A napelemek elvi felépítése az 1. ábrán látható.

1. ábra

A tisztított szilícium alapanyagot egykristállyá húzzák vagy polikristályos szerkezetnél grafit, illetőleg kerámiaformába öntik, majd ezt követően szeletelik. A szokásos diffúziós félvezető technológiai eljárásokkal alakítják ki a töltésszétválasztó réteget, és vákuum-, illetőleg szitanyomásos eljárással hozzák létre az áramelvezető kontaktusokat. A kedvezőbb hatásfokot optikailag illesztett reflexiócsökkentő bevonat és/vagy többszöri reflexió kialakításával, felületi texturálás alkalmazásával érik el.

Az így kialakított napelemek energiaátalakítási hatásfoka napjainkban már a 15–17%-ot is eléri. Laboratóriumi körülmények között azonban már 23,5% hatásfokú szilícium napelemek is készültek, sőt többrétegű napelemekkel 30% fölötti hatásfokot is mértek.

Az egyrétegű napelemek elvileg elérhető hatásfoka 27% körül van, de többrétegű konstrukciókkal egyes kutatók a 60% fölötti hatásfokot is megvalósíthatónak tartják.

A szokásos szilícium napelemek üresjárási feszültsége 0,55–0,65 V és rövidzárási árama 20–40 mA/cm² között van.

A napelemeket általában nagyobb egységekbe, modulokba szerelik, melyekben az egyes elemeket sorosan, ritkábban vegyesen kapcsolják. A napelemmodulok szokásos névleges feszültsége 12 V, de készülnek kisebb és nagyobb – általában a szabvány feszültségsorhoz illeszkedő vagy átkapcsolható – névleges feszültségű modulok is. A napelemmodulok mérete a néhány száz négyzetcentimétertől a néhány négyzetméteres tartományba esik. Névleges teljesítménye néhány watt és néhány száz watt között van.

Az egyes gyártók egymástól általában eltérő konstrukciójú és méretű modulokat hoznak forgalomba. A napelemmodulokban a napelemek hermetikusan el vannak zárva a környezettől, és az alkalmazott konstrukciós anyagok megválasztásánál a komoly gyártók gondosan ügyelnek a tartósságra.

Hőkezelt, nagy szilárdságú és kis vastartalmú üveget használnak az első, megvilágított oldalon és szintén üveget, alumíniumot vagy speciális műanyagokat a hátsó oldal lezárására és védelmére. A napelemek az első és hátsó oldal között speciális, optikailag illesztett és időtálló műanyagba vannak beágyazva [etilvinilakrilát (EVA), polivinilbutirál (PVB) vagy speciális szilikongyanta].

A napelemmodulokat általában alumínium profilkeret zárja le, amelyen kialakított furatok vagy kiépített kötőelemek teszik lehetővé tartószerkezethez való rögzítésüket. Készülnek azonban alumíniumkeret nélküli vagy egyéb kialakítású – mint pl. tetőfedőelem (zsindely, cserép) – modulok is, ezek rögzítése vagy speciális rugalmas megfogási, ragasztási, ill. egyéb, a gyártó által javasolt rögzítési technológia alkalmazását teszi szükségessé.

A napelemmodulok villamos csatlakozása általában a hátsó oldalon kialakított, hermetikusan zárható csatlakozódobozban van, és a villamos vezeték sarusan vagy közvetlenül csatlakoztatható, csavaros szorítással. Készülnek azonban csatlakozó doboz nélküli napelemmodulok is, amelyek vagy csatlakozó vezetékkel vannak ellátva, vagy a modulon olyan kontaktusokat alakítanak ki, amelyekhez ellendarabbal vagy közvetlenül csatlakozhatók.

A korszerű napelemmodulok energiaátalakítási hatásfoka 14-15%, és élettartamuk legalább 30 év. A minőségi napelemmodul-gyártók általában 10 év garanciával szállítanak.

Meg kell említenünk, hogy más anyagokból és egyéb eljárásokkal is készülnek napelemek. Ezek közül ki kell emelni az amorf szilícium alapanyagú napelemeket, amelyek korszerű vékonyréteg technológiai eljárásokkal készülnek és akár görbült felületekre is kialakíthatók. Energia átalakítási hatásfokuk a kristályos eléréséhez nagyobb aktív felület szükséges.

Készítenek napelemeket GaAs (Gallium-Aranid), CuInSe (Réz-Indium-Diszelenium) CdTe (Kadmium-Tellurid) anyagokból is.

Napelemes rendszerek felépítése