A napelemek nem mechanikus eszközök, amelyek félvezetőket használnak a napfény közvetlen elektromos árammá alakítására a fotovoltaikus hatás révén. Intuitív módon az emberek azt gondolhatják, hogy a napelemek intenzív napfényben fejlődnek, de vajon valóban így van?
Az emberiség régóta hasznosítja a napenergiát, amelynek három fő módja van: a fotovoltaikus átalakítás, a fototermikus átalakítás és a fotokémiai átalakítás. A fotovoltaikus (PV) energiatermelés, amely a napfényt elektromos árammá alakítja, a napenergia egyik leghatékonyabb felhasználási módja.
A fotovoltaikus hatást először 1839-ben figyelte meg a francia tudós, Edmond Becquerel, és elektromos potenciál keletkezésére utal, amikor a fény egy félvezetőbe ütközik. Később Einstein a fény kvantumelméletével magyarázta ezt a hatást, amelyért 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott.
A fotoelektromos hatással ellentétben, amely akkor jelentkezik, amikor a fény egyetlen vezetőbe esik, a fotovoltaikus hatás két félvezető lemez határán jelentkezik. Amikor egy vezetékkel össze vannak kötve, ez a határfelület elektromos mezőt hoz létre, lehetővé téve az áram áramlását.
Szóval, hogyan alakítják a napelemek a napfényt elektromos energiává? A napfény az elektromágneses sugárzás széles spektrumú része. Amikor egy napelembe esik, a sugárzás visszaverődhet, elnyelődhet vagy áthaladhat rajta. Csak az elnyelt sugárzás alakul át elektromos energiává.
Szilíciumalapú félvezetők esetében 1,11 elektronvolt (eV) energia szükséges ahhoz, hogy egy elektront leválasszon az atomjáról. Csak az ennél a küszöbértéknél nagyobb energiájú fotonok képesek elektromos áramot termelni. A nagyobb energiájú fotonok felesleges energiája azonban hőként elvész, hozzájárulva a napelem felmelegedéséhez, ami a környezeti levegő hőmérséklete fölé emelheti annak hőmérsékletét.
A közhiedelemmel ellentétben a szilícium alapú napelemek valójában a hűvösebb környezetet részesítik előnyben, annak ellenére, hogy továbbra is szükségük van napfényre. A hőmérséklet emelkedésével a napelemek kevesebb energiát termelnek, annak ellenére, hogy ugyanannyi napfényt kapnak.
A magas hőmérséklet főként az üresjárati feszültséget (azt a feszültséget, amikor nincs áram) csökkenti, bár a rövidzárlati áram (az áram, amikor a cella rövidzárlatos) viszonylag stabil marad. Ez azt jelenti, hogy a magasabb hőmérséklet alacsonyabb hatásfokhoz és csökkentett kimeneti teljesítményhez vezet.
A napelemeket jellemzően 25°C-os (77°F) standard hőmérsékleten tesztelik. Amikor a panel hőmérséklete eléri a 60°C-ot (140°F) vagy magasabb, a teljesítménye jelentősen csökken. A hőmérséklet minden fokos növekedésével a rövidzárlati áram mindössze 0,04%-kal nő, míg az üresjárati feszültség 0,4%-kal csökken.
Habár a hatékonyság nyáron csökken, a napfény bősége ebben az évszakban továbbra is magasabb összenergia-termelést eredményez a többi évszakhoz képest.
Hogyan hűtsük le a napelemeket
Más elektronikus eszközökhöz hasonlóan a napelemek is hűvösebb hőmérsékleten teljesítenek jobban. Mivel energiatermelésükhöz a napfényre, nem pedig a hőre támaszkodnak, világos, mégis hűvös körülmények között működnek a legjobban.
A napelemek nyári hűtéséhez árnyékolót kellene elhelyeznünk? Természetesen nem! A napfény blokkolása érvénytelenítené a napelemek működését. Mi a helyzet a fényvédő krém használatával? Nem, a fizikai akadályok alkalmazása csökkentené a fényelnyelést, a kémiai módszerek pedig nem segítenének csökkenteni a hőmérsékletet.
A tetőre szerelt napelemek esetében a természetes szellőzés hatékony és gazdaságos módja a hűtésének. Ha a paneleket úgy szereljük be, hogy közöttük és a tető között legyen rés, akkor a levegő keringhet és hűtheti a paneleket. Fontos azonban, hogy a levegőáramlás fenntartása és a túlmelegedés megelőzése érdekében a levelek és a törmelék ne kerüljön a résbe.
A kutatók különféle hűtési módszereket is vizsgáltak a napelemek hatékonyságának javítása érdekében. A természetes szellőzés mellett a kényszerített levegőhűtést és a fotovoltaikus-termikus hűtést (PVT) is vizsgálták, amelyek értékes információkkal szolgáltak a panelek hőmérsékletének csökkentéséről és az energiatermelés növeléséről.
Ahogy a napelemek, a tiszta energia küldöttei, továbbra is integrálódnak az életünkbe, magukkal hozzák az alacsony szén-dioxid-kibocsátású, környezetbarát megoldások új hullámát.
