Hogyan termel áramot a napelem?

Röviden

A napelem a napfényt közvetlenül villamos energiává alakítja. A fény a panelben lévő félvezető rétegeket éri, ennek hatására elektromos töltések kezdenek mozogni. Ebből jön létre az egyenáram.

A panelben nincs mozgó motor vagy generátor. A folyamat csendben, mechanikus mozgás nélkül történik.

Ebből megtudod

• mi történik a napelem celláiban;
• miért egyenáramot termel a panel;
• mitől függ a pillanatnyi teljesítmény;
• miért nem termel minden napsütéses órában ugyanannyit;
• mi történik árnyékban és melegben.

A panel lelke: a napelemcella

Egy napelem több kisebb napelemcellából épül fel. A legtöbb mai cella alapanyaga szilícium, amely megfelelő rétegezéssel félvezetőként viselkedik.

Amikor fény éri a cellát, a fény energiája elektronokat mozdít ki a helyükből. A cella belső elektromos tere meghatározott irányba tereli ezeket a töltéseket. Ha a cellát áramkörbe kapcsoljuk, az elektronok elindulnak a vezetéken: létrejön az elektromos áram.

Ezt a jelenséget fotovoltaikus hatásnak nevezik. A szó bonyolultnak tűnik, de a lényeg egyszerű:

fény éri a cellát → a töltések megmozdulnak → villamos energia keletkezik

Miért egyenáram keletkezik?

A töltések a panelből meghatározott irányban áramlanak ki. Ezt egyenáramnak, röviden DC-nek nevezzük.

Az akkumulátor kémiai formában tárol energiát. Töltéskor a bevitt villamos energia egy része így tárolódik; kisütéskor a tárolt energia egy része villamos energiaként adható le. A legtöbb háztartási készülék viszont 230 voltos váltakozó árammal működik. Ezért van szükség inverterre, amely a panelből vagy akkumulátorból érkező egyenáramot váltakozó árammá alakítja.

Hogyan lesz több cellából használható panel?

Egyetlen cella feszültsége alacsony. A gyártó sok cellát köt össze egy panelen belül, így nagyobb, használható feszültséget kap.

A panel adattábláján ezért több elektromos adat szerepel, például:

• névleges teljesítmény wattban;
• üresjárati feszültség, vagyis Voc;
• munkaponti feszültség, vagyis Vmp;
• rövidzárási áram, vagyis Isc;
• munkaponti áram, vagyis Imp.

Ezeket később külön cikkekben részletesen megmagyarázzuk.

Mitől függ a teljesítmény?

A panel teljesítménye folyamatosan változik. A legfontosabb tényezők:

A napsugárzás erőssége

Erősebb fényben általában nagyobb áram termelődik. Felhős időben a panel továbbra is termelhet, de kevesebbet.

A beesési szög

A panel akkor kapja a legtöbb közvetlen fényt, amikor a napsugarak kedvező szögben érik. Reggel, este vagy rossz tájolásnál kisebb lehet a teljesítmény.

A hőmérséklet

A napelem szereti a fényt, de a túl magas cellahőmérséklet csökkenti a feszültségét és ezzel a teljesítményét. Ezért egy hűvös, tiszta, napos tavaszi napon a pillanatnyi teljesítmény kedvezőbb lehet, mint egy forró nyári délutánon.

Árnyékolás

Egy kisebb árnyék is érezhetően visszafoghatja a panelt vagy az egész sorba kötött stringet. A bypass diódák segíthetnek, de nem teszik következmények nélkülivé az árnyékot.

Koszolódás és hó

Por, madárürülék, levelek vagy összefüggő hóréteg csökkentheti a panelre jutó fényt.

Miért nem ad egy 450 wattos panel mindig 450 wattot?

A panelre írt teljesítményt szabványos laboratóriumi körülmények között mérik. A valós tetőn vagy földi tartón ritkán áll fenn pontosan ugyanaz a besugárzás, cellahőmérséklet és mérési helyzet.

Ezért a 450 watt:

• nem napi energiamennyiség;
• nem garantált folyamatos teljesítmény;
• nem jelenti azt, hogy egy panel egy óra alatt mindig 450 Wh energiát termel.

A panel névleges teljesítménye leginkább összehasonlításra és rendszertervezésre szolgáló kiindulási adat.

Egyszerű példa

Ha egy panel egy adott pillanatban 40 volt feszültségen 10 amper áramot ad le, a teljesítménye:

40 V × 10 A = 400 W

Ha később a felhők miatt az áram 4 amperre csökken, miközben a feszültség 38 volt körül alakul:

38 V × 4 A = 152 W

A panel ugyanaz, csak a körülmények változtak.

Mi az MPPT szerepe?

A panel feszültsége és árama nem állandó. Az MPPT töltésvezérlő vagy inverter folyamatosan keresi azt a működési pontot, ahol a feszültség és az áram szorzata a legnagyobb.

Ez nem növeli meg varázsütésre a rendelkezésre álló napfényt. Abban segít, hogy az adott körülmények között a panelből a lehető legtöbb hasznos teljesítményt vegyük ki.

Összefoglalva

A napelem a fény energiáját félvezető cellák segítségével alakítja egyenárammá. A teljesítményét a fény, a hőmérséklet, a tájolás, az árnyék és több más körülmény befolyásolja.

A panelre írt wattérték nem állandó termelést jelent. A valós rendszer méretezésénél mindig napi és szezonális energiatermelésben kell gondolkodni.