Absztrakt
A világ energiafogyasztásának jelent s részét villamos energia formájában használjuk, amelyet szinte kizárólag fosszilis illetve nukleáris energiaforrásokból állítunk el oly módon, hogy az energiahordozók bels vagy nukleáris energiáját köztes lépcs ben h vé alakítjuk, amelyet végül villamos energiává konvertálunk. A fosszilis energiahordozók rohamos fogyásával egyre nagyobb hangsúly fektet dik a megújuló energiaforrások hasznosítására. Az egyik legnagyobb potenciálú, és a föld egész területén elérhet energiaforrás a napsütés. A klasszikus er m vekkel szemben a napenergia villamos energiává alakítása történhet közvetlenül, hiszen a fényelektromos hatás kihasználásával nincs szükség a köztes h energiává alakításra. A napelemek el nyei közé tartozik az egyszer felépítés, megbízható üzemelés valamint a széndioxid-semleges energiatermelés. A napelemek költségei azonban jelenleg igen magasak, és hatásfokuk is alacsonyabb, mint a legtöbb klasszikus er m vi energiaátalakítási ciklusnak. A jelenlegi fejlesztések az ár csökkenését illetve a hatásfok növelését célozzák, mindemellett folyamatosan születnek új koncepciók is, amelyek az ingadózások hatásait és az egyenetlen földrajzi eloszlást hivatottak kiküszöbölni. Minden hátrá-nya ellenér a napenergia óriási potenciállal rendelkezik, és kell m szaki fejlesztés esetén a jöv legszámottev bb energiaforrásává válhat.
Kulcsszavak
Napenergia, napelemek, napelemforgatás, napenergia villamos hasznosítása
A napenergia elkerülhetetlen szerepe a jöv energiaellátásában
Manapság az emberiség energiaigényének túlnyomó részét fosszilis energiahordozókból fedezi, a megújuló energiaforrásokat és f ként a napenergiát pedig a jöv ígéretes ener-giaforrásai közé sorolja. Az egyes megújuló energiaforrásokat (nap,- víz- és szélenergia, geotermikus energia vagy biomassza) továbbá gyakran egymás vetélytársaként is ábrá-zolják, különböz költségelemzéseket felállítva, amelyek hol az egyik, hol a másik megújuló energiaforrást hozzák ki gy ztesként, és a legtöbb esetben nem a napenergia kerül a legel kel bb helyekre. Pedig könny belátni, hogy a geotermikus energiaforrá-sokat kivéve bármely megújuló energiaforrás – s t a fosszilis energiahordozók is – a napból érkez energiát alakítja át, így a geotermia és a nukleáris energia kivételével mindenképp a nap által kisugárzott energiáját használjuk. Ezért egyértelm , hogy a fosszilis energiahordozók kifogyásával az energiafelhasználás egyre jobban el kell, hogy tolódjon a szinte korlátlanul rendelkezésre álló napenergia közvetlen hasznosítása irányába.
1 Tudományos segédmunkatárs, Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke.
A napenergia villamos hasznosítása
Energiaszükségletünk egy részét villamos energia formájában használjuk fel. Magyaror-szágon az összenergia-felhasználás kb. 11%-át (1999) teszi ki a villamos energia, Eu-rópa többi országaiban ez az arány valamivel magasabb, 12 és 16 % között mozog, ami jelent s energiamennyiséget jelent. Manapság a villamos energia legnagyobb része fosszilis energiaforrásokból vagy nukleáris energia hasznosításából származik, de a már korábban használt vízer m vek mellett egyre nagyobb teret hódítanak a széler m vek, és elkezdtek terjedni a napenergiát hasznosító villamos er m vek is. A napenergia vil-lamos hasznosításának két alapvet módját használják: az egyik esetben a napfényt koncentrálva h t állítanak el , amelyet a hagyományos er m vi technológiával, turbina-generátor együttesekkel alakítanak át el ször mozgási energiává, majd tovább villamos energiává, a másik esetben pedig napelemek alakítják közvetlenül villamos energiává a nap sugárzását. Az els megoldás az Egyesült Államokban elterjedtebb, míg Európa és Japán inkább a napelemeket alkalmazza.
A napelemek fényelektromos effektus segítségével a napsugárzást közvetlenül egyenárammá alakítják, így egyszer felépítés , statikus rendszereket lehet kialakítani, hiszen a villamos energia tényleges el állításához a napelemen kívül semmilyen eszköz nem szükséges. Természetesen a napelemek kiegészülhetnek egyéb berendezésekkel, amelyek pl. a hatásfok javítását (napkövet berendezés), a váltakozó feszültség háló-zathoz való illesztést (inverter) vagy az energia javítását teszik lehet vé, de maga az energiaátalakítás a viszonylag egyszer felépítés , félvezet kb l készült napelemcellák-ban történik.
Napelemek fejl dése és fajtái
Az 1953-ban készült els szilícium napelemcella óta a napelemek óriási fejl désen mentek keresztül. Az els generációs, a félvezet ipar hulladékából készült cellákat felváltották a külön e célra készített anyagból el állított, különböz technológiai trük-kökkel növelt hatásfokú cellák, amelyek az er s költségcsökkentésnek köszönhet en már nem csak ralkalmazásokra, hanem a hálózattól távol es földi eszközök tápellátá-sára is alkalmasak voltak. Az els dleges alapanyag továbbra is a szilícium maradt, de az egyre nagyobb energiaigény rhajózás számára létrejöttek az újabb anyagokból (pl.
gallium-arzenid) készült, többátmenetes nagy hatásfokú cellák is, igaz ezek ára nagy-ságrendekkel meghaladta a földi alkalmazásokban használt szilíciumból készült egy-átmenetes cellákét.
A 70-es években megjelentek az els amorf szilíciumból készült napelemek, ame-lyek olcsóbb technológiájuknak és alacsonyabb anyagigényüknek köszönhet en sokkal olcsóbb el állítási költségekkel rendelkeztek, igaz hatásfokuk is messze elmaradt az egykristályos szilíciumból készültt l, így sokáig a zsebszámológépekben és órákban találtak csak alkalmazásra, intenzív fejlesztéseknek köszönhet en azonban az elmúlt évtizedekben egyre jobban terjedtek.
A jelenlegi napelem piacot ma is a kristályos szilíciumból készült napelemek uralják kb. 90%-os piaci részesedéssel, de az egykristályos alapanyagot egyre gyakrabban váltja fel a jelent sen olcsóbb el állítási költség , de hatásfokban nem túlságosan rosszabb multikristályos szilícium. A piac maradékát pedig gyakorlatilag az amorf szilíciumból
készült napelemek teszik ki, mivel az újabb fejlesztés vékonyréteg (réz-indium-diselenid, kadmium-tellurid) napelemek vagy a nagyhatásfokú vegyület-félvezet kb l készült napelemek újdonságuk vagy magas áruk miatt csak elenyész szerepet játszanak a világ összetermelésében.
A napelem-ipar napjaink egyik legdinamikusabban fejl d iparága. Az elmúlt har-minc évben a napelem-ipar évente átlagosan 34%-kal növekedett, az elmúlt öt évben pedig több mint 44%-os éves átlagnövekedést tudott felmutatni (1. ábra). A telepítések terén a legnagyobb el relépéseket Európa – élén Németországgal – tette: az elmúlt tíz évben több mint megtízszerezte a napelem-kapacitását. Világszerte Németország ren-delkezik a legnagyobb telepített napelem-teljesítménnyel, ami nem kismértékben az er s állami támogatási rendszernek köszönhet . A német napelem-ipar így néhány év alatt a világranglista élére állt, és nagy gyártáskapacitási és technológiai el nyre tett szert.
1. ábra
Az elmúlt öt évben telepített napelemes létesítmények világszerte
Forrás: Paula Mints: Photovoltaik-Industrie wächst stark, trotz aller Hindernisse, www.solarserver.de.
A szakemberek ahelyett, hogy a napelem-ipar eddigi töretlen exponenciális fejl dé-sének megtorpanására számítanának, úgy gondolják, hogy még mindig a fejl dés kez-deteinél tartunk. A német kormány globális környezeti változásokkal foglalkozó
tudo-mányos tanácsának 2003-ban készült el rejelzése (2. ábra) szerint az elkövetkezend évszázadban a napenergia vezet energiaforrássá növi ki magát, és a XXI. század vé-gére az összenergia-fogyasztás kétharmadát fogja fedezni. Ezt jelzi el re, hogy a jelenleg használt 60 és 100 MW közötti éves kapacitású gyártósorok helyett már megkezd -dött az 1 GW-nyi éves gyártáskapacitású napelem-gyárak tervezése.
2. ábra
Az emberiség által felhasznált energiaforrások szerinti összetételének el rejelzése a XXI. századra
Forrás: German Advisory Council on Global Change, 2003, www.wbgu.de
A napelemek rendszerek el nyei és hátrányai
A napenergia egyik legnagyobb hátránya, hogy az általa leadott energia id ben nem állandó. Az id járás, a nap- és évszakok mind befolyásolják a napelem felületére érkez fény intenzitását és ezáltal a napelem leadott teljesítményét. Az ingadozásokat (3a és 3b ábra) – csakúgy mint a szélenergiánál – nem lehet kiküszöbölni, a folyamatos energia-ellátáshoz energiatárolásra van szükség. Fontos megjegyezni, hogy az egyes évszakok er s különbséget mutatnak, ami azt jelenti, hogy téli és a nyári hónapok között nagy mennyiség energiát kell tárolni abban az esetben, ha kizárólag a napenergiát szeret-nénk használni. Az egyes napszakok között szintén er s ingadozások figyelhet k meg, de itt kisebb mennyiség energiát csak rövidebb távra – kedvez tlen esetben is csak néhány napra – kell tárolni, ami akár akkumulátorokkal is megoldható.
Az ingadozások kiküszöbölésére vagy csökkentésére megoldást jelenthet, ha a nap-elemek nem egymagukban, hanem más energiaforrásokkal együtt termelnek energiát.
Például naper m veket szélgenerátorokkal vegyesen telepítve csökkenthet k az inga-dozások, hiszen két eltér , egymástól függetlenül ingadozó energiaforrásnál kisebb lesz
az esélye annak, hogy mindkett egyszerre ad kedvez tlen viszonyokat. A rendszert egy további, folyamatosan rendelkezésre álló energiaforrással, mint például a geotermiával vagy biomasszával kiegészítve már teljesen kiküszöbölhet k az ingadozások.
Az ingadozások csökkentését el lehet érni úgy is, hogy a jelenlegi kiépített villamos-hálózatot arra használjuk, hogy az éppen kell en benapozott helyekr l átszállítsuk az energiát a kevésbé napos helyekre, kihasználva az Európán és esetleg egyéb országokon belüli id eltolódásokat és az id járás vándorlását.
3. ábra
Napenergia évszaktól és napszaktól függ ingadozásai (45°-os déli lejt n mért intenzitásadatok)
a) b)
A napenergia alacsony energias r sége
Annak ellenére, hogy a napenergia óriási mennyiségekben érkezik a földre, energias r ség igen kicsi. Az európai viszonyok között uralkodó AM 1,5 besugárzás energias r -sége kb. 850 W/m2, ami azt jelenti, hogy egy átlagos járm felületére napos id ben kb.
6–8 kW teljesítmény fény érkezik be, amely még a napelem hatásfokát figyelmen kívül hagyva is messze elmarad a mai motorok teljesítményét l, azaz kijelenthet , hogy a napenergia nem alkalmas a mai közlekedési színvonal fenntartására. Magas energias -r ségük a fosszilis ene-rgiaho-rdozókat ideális üzemanyaggá teszik, amivel nehéz fel-venni a versenyt.
Az energiaátalakító rendszerek legfontosabb szempontja a hatásfok. Szilíciumból készült egyátmenetes napelemek esetén az elméleti hatásfok 28%, amelyet labori körül-mények között 1-2 százalékpontra meg is tudnak közelíteni. Ezt azonban igen kisméret cellákon érik el, amelyeken a veszteségek minimálisak. A gyakorlatban a cellák sorba kapcsolásánál az egyes cellák összeadódó soros ellenállásain és a hozzávezetéseken létrejöv veszteségek miatt a legjobb, egykristályos modulok hatásfoka is 15–18 % kö-zött mozog. Az olcsóbb, vékonyréteg napelemek pedig ezeket az értékeket sem érik el.
További gondot jelent a napelemek melegedése. A villamos energiává át nem alakí-tott fényenergia a napelemben elnyel dik és melegedéshez vezet, ami viszont csökkenti a napelem leadott feszültségét, és ezáltal teljesítményét is. A gyakorlatban épp ezért használnak napkollektorokkal kombinált rendszereket, ahol a napelemben hátoldali h téssel elvonják a fény abszorpciója során keletkez h t, és ezt a h t víz melegítésére használják.
Mint minden egyéb fosszilis energiahordozó vagy megújuló energiaforrás esetében, a napenergiánál sem egyenletes a földrajzi elosztás, ami a kés bbi, nagymérték felhasználás során hasonló konfliktusokhoz vezethet, mint amelyek az elmúlt években és évtizedekben az olaj és a földgáz körül bontakoztak ki, de ennek veszélye alacso-nyabb, mint a jelenleg használt energiahordozók esetén, mivel a napenergia elosztása, ha nem is egyenletes, sokkal kiegyensúlyozottabb, mint például a k olajé, és nem is véges, elfogyó energiakészletekr l van szó. Okos és megfontolt energiapolitika mellett a napenergia ugyanúgy lehet séget nyújt az energiaexportra vagy importra, már több tanulmány is foglalkozott például az Afrikai sivatagokban megtermelt energia Európába történ exportálásával. A javaslatok között megtalálhatók mind a hagyományos távve-zetékek, mind a napenergiával szétbontott vízb l el állított hidrogént szállító cs veze-tékek.
A napelemes rendszerek további gyenge pontja az el állítási költség. Az els , tiszta félvezet ipari technológiákkal el állított napelemek óta a költségek ugyan er sen csök-kentek, de a napelemekkel el állított villamos energia még mindig drágább, mint a fosszilis vagy nukleáris energiahordozókból hagyományos er m vi technológiákkal el állított áram. A napelemes rendszerek telepítési költsége jelenleg 4 euró/Wp körül mozog, ami csak megfelel szubvenciók mellett teszi lehet vé a nyereséges üzemelte-tést. A villamos hálózattól néhány száz méterre fekv fogyasztók esetén a napelemek már ma is olcsóbb megoldást jelentenek a villamos hálózat kiépítésénél.
Fejl dési irányok
A napelemek korábban említett hátrányainak csökkentése érdekében komoly fejleszté-sek folynak, amelyek kemény harcot jelentenek a hatásfok minden tized százalékáért vagy a költségek csökkentéséért. A napelem-fejlesztésben jelenleg két f irányzat van, amelyeket lényegében az imént említett két tényez egyike határoz meg. Az egyik tábor a minél nagyobb hatásfok elérésében és koncentrátorok alkalmazásában látja a jöv t, a másik tábor pedig az el állítási költségek csökkentését tartja a legfontosabbnak. A ma-gasabb hatásfok eléréséhez kizárólag az egykristályos, jó min ség de magas el állítási költség alapanyagok jöhetnek szóba, amíg az olcsó napelemek általában vékonyréteg-technológiával készülnek. Köztes irányt képviselnek a multikristályos napelemek, amelyek némi hatásfok csökkenés fejében az egykristályosnál jóval olcsóbban el állít-ható kristályos alapanyagból készülnek. Újabban elindult az ún. organikus napelemek fejlesztése is, amelyek szerves anyagokból készülnek, és még az amorf szilíciumból készült napelemeknél is alacsonyabb el állítási költségekkel kecsegtetnek.
A másik vita, amely megosztja szakembereket, az a napelemek forgatásának kér-dése. A napelemek folyamatos optimális pozícióba történ forgatása kétség kívül növeli
a megtermelhet energiát, a forgató berendezés azonban többletköltségeket okoz, és mozgó alkatrészeket tartalmaz, ami növeli a meghibásodás valószín ségét, valamint karbantartást is igényel. Saját elvégzett számításaink alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a napelem-forgatással nyert többletenergia nem elhanyagolható (4. és 5.
ábra), ezért tanszékünkön egy automata m ködés , távvezérelhet kéttengelyes nap-elem-forgató berendezés tervezésébe kezdtünk.
Az elvégzett számítások eredményei azt mutatták, hogy a napelem-forgatással nyert többletenergia éves átlagban meghaladja a 30 %-ot. Amit fontos megjegyezni, hogy a napelem-forgatás nem növeli meg a napelem teljesítményét, hanem csak folyamatosan optimális fényviszonyokban üzemelteti, ezzel növelve a kihasználtságát. Ahogyan a 4.
ábrán is látszik, a többletenergia f ként akkor keletkezik, amikor a rögzített napelemre már alacsony szögben esnek be a fény, azaz a forgatás kisz ri a nap állásából adódó ingadozásokat.
Az elkészült berendezésen elvégzett mérések azt mutatták, hogy 4 db 50 W-os nap-elem-modullal felszerelve a forgatóberendezés éves átlagban a megtermelt többletener-gia mindössze 4,5%-át használja fel üzemeltetésre, ami továbbra is 30% feletti többlet-energiát eredményez.
4. ábra
Napelem-forgatással kinyerhet többletenergia egy délután folyamán (2006. okt. 06., kéttengelyes forgatás összehasonlítva a 45°-os hajlásszög , dél felé néz síkon rögzített
napelemekkel)
Forrás: A szerz szerkesztése.
5. ábra
A napelem-forgatással kinyerhet éves többletenergia havi bontásban (kéttengelyes forgatás összehasonlítva a 45°-os hajlásszög , dél felé néz síkon rögzített
napelemekkel)
Forrás: A szerz szerkesztése.
A berendezés megépítése után elvégzett költségszámításból továbbá arra következ-tetésre jutottunk, hogy 1 kWp-nyi napelem telepítése esetén a forgató berendezés meg-térül a fixen rögzített szerkezethez képest, mivel az ekkora teljesítmény napelem-felü-letre méretezett forgatóberendezés bekerülési költsége alacsonyabb, mint az azonos többletenergiát szolgáltató napelemek költsége.
Konklúzió
A napelemek a villamos energiát közvetlenül villamos energiává alakítani képes eszkö-zök. Mint más energiaforrások, a napelemek is rendelkeznek el nyökkel és hátrányok-kal, amelyek közül a legmeghatározóbbak az energiaterelés ingadozásai és a magas költségek. A rohamosan fejl d napelem-ipar g zer vel dolgozik ezeknek a problé-máknak a megoldásán, és folyamatos fejlesztéssel lépésr l lépésre növeli termékei ha-tásfokát, illetve csökkenti az el állítás költségeit, aminek köszönhet en a napelemek fontos szerepet fognak játszani a világ villamos energiatermelésében.
Nagyon fontos kihangsúlyozni, hogy az egyes megújuló energiaforrásokat nem sza-bad egymással konkuráló megoldásokként felfogni, hanem együtt kell ket olyan rend-szerekbe integrálni, amelyek egymást kiegészít tulajdonságaikat kombinálják. A nap-energia a jöv egyik legígéretesebb nap-energiaforrása, de csak a többi szintén rendelkezésre álló energiaforrással együtt alkalmazva lesz képes arra, hogy elegend energiát biztosít-son mindenkinek, mindenhol és mindenkor.
Irodalom www.solarserver.de www.wbgu.de
Bokor László1
A SZÉLENERGIA FELHASZNÁLÁSNAK TÖRTÉNETI