Cikk - Napenergia - Napelemek

Cikk - Napenergia - Napelemek Tartalom I. rész 1. Mi a napenergia? A napenergia általános meghatározása 2. Hogyan használhatom a napenergiát természetes és technikai módon? 3. Napelemek:(PV): • Mi a napelem? Meghatározás, hogyan működik? (Fotoelektromos hatás, sejtek, modulok, sugárzás) • a napelemek osztályozása • Energia-konverziós hatásfok • Hogyan használhatom a napelemet? Alkalmazások. • Betáplálási tarifák, ME jogforrásai II. rész 4. Szolár termál energia: • • • • • • •

Mi a szolár termál energia? Történet Napkollektor és alkalmazásai A napkollektorok típusai (hőenergia termelés) A napkollektorok típusai (villamosenergia termelés) Napenergia a vízmelegítésre Források

III. rész 5. . Koncentrált napenergia (CSP) : • • • • • • • •

Mi a CSP? Meghatározás, hogyan működik? Történet Leosztás, milyen alkalmazásai vannak? Koncentrált szolár termál energia (CST) Koncentrált (fotovoltaikus) napelem (CPV) Koncentrált fotovoltaikus és termál napelem (CPT) Előnyök - a koncentráló rendszerek hátrányai A koncentrált napenergia jövője 1

1. Mi a napenergia? A napenergia általános meghatározása Napenergia: a nap által generált elektromágneses energia, melyet magfúzió állít elő. Ez az erőforrás az alapja minden földi életnek. A nap által naponta kibocsátott energiamennyiség összege mintegy 420 billió kilowattóra (kWh). A napenergia kibocsátás igy a többezerszerese annak, amit a világ az emberiség számára összes energia felhasználásként termel. A nap sugárzását és az ehhez kapcsolódó hőfelhasználást az emberiség már ősidők óta folyamatosan különféle fejlett technológiák segitségével használta. A napsugárzás, valamint az ehhez kapcsolódó másodlagos erőforrások, mint például a szél és hullám energia, vízenergia és biomassza, adják a rendelkezésre álló megújuló energia források döntő részét a Földön. Ezek esetében is csak a rendelkezésre álló napenergiának egy töredéke kerül felhasználásra. A napelemes villamosenergia termelését termál energia felhasználású motorokkal és napelemekkel érjük el. A napenergia kihasználást, csak az emberi találékonyság korlátozza. A napenergia alkalmazások kihasználásához tartozik pl. a fűtés és hűtési rendszerek, a szolárépítészet, ivóvíz fertőtlenités desztilláció útján, napenergia felhasználása melegvíz előállitásához és ipari célokra történő magas hőmérsékletű folyamatok előállitása. A napenergia összegyűjtésének jelenleg a leggyakoribb módja a napelemek felhasználása. A széleskörű napenergia felhasználását passzív vagy aktív módon érjük el, és mindez annak függvényében történik, hogy a napenergia befogadására, átalakítására és elosztására A napfény az egész világot el tudná látni energiával. Amennyiben a kijelölt milyen módon kerül sor. Aktív napenergia hat ponton napelemeket telepitenénk technológiákat alkalmazunk a napelemek és 8%-os konverziós hatásfokkal, akkor a világon átlagosan18 TW értékű napkollektorok energiafelhasználásakor. Passzív napenergia felhasználás technológiái közé soroljuk pl. az felépitendő épület beállitását a napsugárzás

villamostermelés megtakaritást tudnánk elérni. Ez az elektromos teljesitmény többet termel, mint a világ jelenlegi elsődleges energiaforrásai, beleértve a szén-, kőolaj-, gázfelhasználást, a nukleáris energia termelését és a vizenergiát. A jelzett szinskála egy hároméves sugárzási2 átlagot mutat, az éjszakák és A színek a napenergia besugárzást mutatják három év átlagában, beleértve az éjszakákat és a felhő lefedettséget is.

függvényében. Hasonlóképpen az épitési anyagok hőtároló vagy fénysugárzó tulajdonságai révén történő kedvező kiválasztást, és olyan belső terek tervezését, melyekben a levegő természetes módon kering.

Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, 18.11.2010

2. Hogyan használjuk ki a napenergiát? A természetes út A napenergia legnagyobb mennyiségének a felhasználása a föld felületének a melegitése révén történik, mely lehetővé teszi, hogy ezen a felületen élő biológiai formák létezése lehetségessé váljon. Ezt a létezési folyamatot a napenergia felhasználása révén a növények fotoszintézise követi. Minden szervezetnek, és ebbe a kategoriába tartozik az ember is, szüksége van a napenergiára, vagy közvetlen (mint pl. a növényevő állatok) vagy közvetett módon (mint pl. a húsevők). Az üzemanyagok és az építőanyagok szintén ebből az energiából származnak. A napenergia felelős továbbá az atmoszféra különböző légnyomásváltozásai iránt, mely szelet generál. A Földön a víz természetes körforgását is végül a napenergia végzi. A fenti "természetes" hatások mellett létezik egy egyre növekvő műszaki jellegű cél is, mely az emberiség energiaellátására vonatkozik. A napenergia műszaki alkalmazásai: 3

A napenergia felhasználása több előnyös lehetőséget biztosit számunkra: • A napelemek egyenáramú (ún. fotovoltaikus) villamosáramot termel • A napkollektorok hőt állitanak elő (ez a termikus energiafelhasználás) • A napenergiát termikus erőművek használják fel, melyek villamosenergiát termelnek a nyert hő felhasználásával és a kitermelt gőz segítségével. • Növényeket és növényi hulladékokat lehet napenergia felhasználásával az emberiség számára hasznos folyadékokká (pl. etanol, repceolaj, stb.) vagy gázoká (például biogáz) átalakitani. • A szél-és a vízierőművek villamosenergiát termelnek (lásd cikk a szél- és hidraulikus energiáról). • Naptűzhelyek és napsütők élelmiszerekhez hőenergiát termelnek vagy az orvosi eszközöket sterilizálnak. 3. Napelemek (PV): 

Mi a napelem? Meghatározás és hogyan is működik?

 A napelem azt a közvetlen átalakítási folyamatot jelenti, mely a fényt atomi szinten elektromos árammá alakitja át. Néhány anyag olyan fotoelektromos tulajdonsággal rendelkezik, mely lehetővé teszi, hogy elnyelje a fény fotonjait és elektronokat szabaditson fel. A szabad elektronok elfogását követően elektromos áram keletkezik, melyet elektromossággá alakíthatunk. A fotoelektromos hatás első észlelését egy francia fizikus, Edmund Bequerel, 1839-ben jegyezte fel, aki megállapította, hogy bizonyos anyagok kis mennyiségű elektromos áramot termelnek a fény hatására. 1905-ben Albert Einstein írta le a fény és a fotoelektromos hatás jellegét, amelyen a napelemek működnek. Ezért később fizikai Nobel dijjal tüntették ki. Az első napelemes modult 1954-ben Bell Laboratories építette. Annak idején ezt „nap akkumulátornak” nevezték, és csak a műszaki kiváncsiság szintjén mozgott, mert túl drága lett volna alkalmazását széles körben elterjeszteni. Az 4

1960-as években, az űripar foglalkozott komolyan a technológia használatával, hogy az űrhajó fedélzetén elektromos áramot termeljenek. Az űrprogramon keresztül a technológia fejlődött, a rendszer megbízhatósága kialakult és az ezzel járó költségek is hanyatlásnak indultak. Az 1970-es energiaválságban a fotovoltaikus technológia átfogó elismerést szerzett, ezúttal már nemcsupán az űralkalmazások területén.

Forrás: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells/, 19.11.2010

A fenti ábra illusztrálja egy egyszerű fotovoltaikus elem, azaz a napelem működését. A napelemek félvezető típusú anyagokból készülnek, mint pl. a szilikon, melyet a mikroelektronikai iparban használnak. A napelemekhez egy vékony speciálisan kezelt félvezető ostya kerül kialakításra, melynek elektromos mezője, egyik sarkában pozitív és a másikban negatív lesz. Amikor fényenergia éri a napelemet, az kiüti az elektronokat a félvezető anyag atomjaiból. Ha elektromos vezetékeket kapcsolunk a pozitív és negatív sarkokhoz, azok elektromos áramkört képeznek, melyet villamos energiának nevezünk.. Ez a villamosenergia ezt követően felhasználható pl. szerszám meghajtásra vagy éppen villamos jelzések leadására. Fényelektromos modulnak nevezünk több napelem villamos összekapcsolását, melyek közös támogató struktúrába vannak szerelve. A modulok arra hivatottak, hogy egy tervezett feszültségen keresztül villamosenergiát termeljenek, például egy 12 V-os rendszer működésének az esetében. A létrejött rendszer teljesitménye közvetlenül azon múlik, hogy mennyi fény éri a modult.

5

Sok modul vezetékes összekötése tömböt alkot. Általában minél nagyobb egy modul területe, vagy tömbje, annál több villamosenetgiát fog tudni előállitani. A fotovoltaikus modulok és tömbök egyenáramú villamos energiát termelnek. Ezek sorosan és párhuzamosan egyaránt kapcsolhatók bármely feszültség vagy áram felhasználás kialakítására

Forrás: http://science.nasa.gov/sciencenews/science-atnasa/2002/solarcells/, 19.10.2010

6

A napelemek osztályozása



• A napelemeket több féleképpen lehet osztályozni. A leggyakoribb kritérium az anyagvastagság, azaz a napelemekben vastag-és vékony-film-sejteket különböztetünk meg. • Másik ismérv az anyag milyensége: ez lehet félvezető anyag, CdTe, GaAs, vagy réz-indium-szelénium-vegyület, de a leggyakrabban felhasznált anyag világszerte a szilícium. • A kristályos szerkezet is fontos kritérium, mely lehet kristály (mono-/polikrisztalin), vagy amorf. • A félvezető anyagok mellett vannak ma már új megközelítések is, mint például szerves napelemek vagy festék napelemek. Három sejttípust lehet megkülönböztetni a kristály típusa szerint: • Monokristályos szilícium cella, mely előállitásához teljesen tiszta félvezető anyagra van szükség. Monokristályos rudakat vonnak ki olvasztott szilíciumból, és ezeket egymásra-simított vékony lemezekbe illesztik. Ez a gyártási folyamat viszonylag magas szintű hatékonyságot garantál •



Monokrisztalin szilikon ostyából készült napelem Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell, 22.11.2010

termelési sejtek jóval költséghatékonyabbak Ebben a folyamatban a blokkokra folyékony szilícium kerül, melyek a későbbiekben egymásra-simitott lemezeket alkotnak. Az anyag megszilárdulása következtében, különböző méretű kristályszerkezetek képződnek, A polikristályos

7 Napelem polycristallin-szilikon ostyából Source: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle, 22.11.2010

melyeknek a határain hibák jelennek meg. Ennek eredményeként - a kristály hibája révén - a napelem kevésbé hatékony lesz.

 Ha a szilikon filmet visznek fel üveg vagy más szubsztrátum anyagra, akkor ezt amorf vagy vékonyréteg-sejtnek nevezik. A réteg vastagsága kevesebb, mint 1 µm (az emberi hajszál vastagsága: 50-100 µm), és a gyártási költségek is alacsonyabbak. Az amorf sejtek hatékonysága ennek ellenére alacsonyabb, mint a másik két sejttípusban. Emiat ezeket elsősorban energiatakarékos szerkezetekben (órák, zsebszámológépek) vagy Solarpark homlokzati elemekben vékony film modulokkal, Wörrstadt, Germany Forrás: juwi Holding használták. Ma már ezeket is használjákAG, a Germany napenergia ún. megawatt gazdaságokban is.

 Szerves napelemek A szerves napelem egy új alternatíva, annak érdekében, hogy minél több hagyományos anyag legyen felhasználható napelem előállitása céljából. Bár ez egy nagyon új technológia, de nagyon igéretes, mivel a kialakításhoz nagyon olcsó megoldást kinál.  Energia konverziós hatásfok A kereskedelemben kapható szitanyomott polikristályos napelem tipikus modulelemének hatékonysági foka kb.12%. A napelem modul energiaátalakítási hatásfoka (vagy hatékonysága) azt az arányt fejezi ki, mely a maximális kimenő villamos teljesítményt osztja a bemeneti fény erejének "standard" vizsgálati feltételével. A "standard" napsugárzás (melyet más néven "levegő tömeg 1,5 spektrum"-nak nevezünk) teljesítménye 1000 watt per négyzetméter. Egy tipikus 1 m² napelem ezért közvetlen napfényben mintegy 120 8

watt csúcsteljesitményt ad.

Source: http://www.solarnavigator.net/solar_cells.htm, 19.11.2010  Hogyan használhatjuk a napelemet? Alkalmazás: tetőn, az épületben integrált napelemek (BIP) és földre szerelt fényelektromos felületek révén. Épületeken A fényelektromos tömbök gyakran találhatók az épületekben: integráltan, a tetőre szerelve, vagy az épület közelében a földön. A tömbök a leggyakrabban beilleszkednek a létező épület meglévő tetőszerkezetébe, vagy a meglévő falon helyzkednek el. Alternatív megoldásként a tömböt el lehet helyezni az épület mellett is és ebben az esetben az áramellátás kábelen csatlakozik az épülethez. Németországban 2010-ben a 9000 MW-os összteljesitményű napelemes rendszereknek több mint négyötöde a háztetőre volt telepitve.

9

Fotovoltaikus napelemek a háztetőn. Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics

Az épületbe integrált fényelektromos rendszereket fő-vagy kiegészítő áramforrásként helyezik el a lakossági és ipari épületekben. A fényelektromos felületet a tetőn vagy a falakon helyezik el. A tetőcserepekbe épitett integrált napelemek is igen gyakoriak. Az angliai manchesteri CIS tornyot mintegy 5,5 millió fontért épitették be napelemekkel Az angol Nemzeti Hálózatba a torony 2005 novemberétől termelt áramot. Egy épületrendszer fényelektromos max teljesítménye csúcs kilowatt egységekben mérhető (kWp). Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Building-integrated_photovoltaics, 18.11.2010

Erőművek

10

2010 októberében, a világ legnagyobb fényelektromos naperőműve a Sarnia-i naperőmű (Kanada, 80 MW), a második az Olmedilla-i fényelektromos Park (Spanyolország, 60 MW), a harmadik pedig a Strasskirchen Solar Park (Németország, 54 MW). Ezeket követi a Lieberose-i fényelektromos Park (Németország, 53 MW), a Puertollano-i fényelektromos Park

(Spanyolország, 50 MW), a Moura-i napelemes erőmű (Portugália, 46 MW), és a Waldpolenz Solar Park (Németország, 40 MW). Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic, 18.11.2010

11

A közlekedésben A napelemeket közlekedésre hagyományosan a világűrben használták ki. Teljesitmény kifejtésére a Földön napelemet nagyon ritkán használnak a közlekedési alkalmazásoknál, de egyre inkább terjed a felhasználása kiegészitő energiaforrásként hajók és autók esetében. Egy önállóan működű napenergiával hajtott jármű korlátozott teljesítményre lenne utalva, ezért csak alacsony hasznos teljesitményt tud leadni. Kiegészitő napenergia felhasználásával feltöltött járművek lehetővé tennék a szállításban való napenergia felhasználást. Napmeghajtású autók mindezt igazolták is. Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010

Önellátó készülékek Tíz évvel ezelőtt, a napelemeket gyakran használták a számológépek és más újszerű eszközök meghajtására. Az integrált áramkörök és az alacsony fogyasztású LCD kijelzők fejlesztésével lehetővé vált, hogy az ilyen eszközök áramellátását elemcserével oldják meg, ezért a napelem felhasználása kevésbé gyakorivá vált. Napelemes parkoló automata Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics, 18.11.2010

12

A vidék villamosítása A fejlődő országokban egyre több helyen használják a napelemrendszereket, olyan helyen, ahol a falvak több mint öt kilométerre találhatók a központi elektromos hálózatoktól. Olyan indiai távoli helyszíneken, ahol csak petroleum lámpa létezik, LED napelemes világítási program nyújt a településeknek segitséget.A napelemes lámpák kevesebbe kerültek, mint a kerozin néhány havi ellátási költsége. Kuba is azon dolgozik, hogyan tudná ellátni azokat a területeket, melyek nem tudnak a központi energia hálózathoz csatlakozni. Ezek olyan térségek, ahol a társadalmi költségek, valamint az ezzel járó haszon a napenergia megfelelő felhasználását kínálja. A jövedelmezőség hiánya ezeket a törekvések humanitárius irányba terelik.

13

Napenergia műholdak Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_satellite, 19.11.2010

Évtizedek óta tervezési tanulmányok folytak műholdak napenergia ellátásáról. Az ötletet először Peter Glaser javasolta, majd ezt követte Arthur D. Little Inc; A NASA végzett átfogó műszaki és gazdasági megvalósíthatósági tanulmányokat az 1970-es években és az eziránt való érdeklődés újjáéledt a 21. század első éveiben. Gazdasági szempontból a legfontosabb kérdés az ilyen műhold felállitásában, a szerelési anyagok feljuttatásának a költségeiben rejlik. További szempontok tartalmazzák a világűrben történő összeszerelési technikákat, de ebben az esetben az kevesebb akadállyal jár, mint maga az ehhez szükséges feljuttatási tőkeköltség megteremtése. Ez a beruházási költség is a napelemek költségének csökkenésével szintén lefelé megy, miközben a hatékonyság ezzel szemben növekedni fog. Betáplálási tarifák

A betáplálási tarifa (feed in tariff - FIT -, betáplálási törvény, a fejlett megújuló energia díjszabási rendszer) egy olyan politikai mechanizmust alakít ki, melynek célja, hogy ösztönözze a megújuló energiaforrások fejlődését és segítsen elmozdulni a központi rendszer (grid) paritás irányába. Ez általában három fontos rendelkezést tartalmaz: • garantált hálózati hozzáférés • hosszú távú szerződések a termelt villamosáram felhasználásához • olyan beszerzési árak, melyek módszertanilag a megújuló energiatermelés költségét veszi alapul és a grid paritás irányába 14

mozdul A betáplálási tarifa révén kötelezettség is keletkezik a regionális vagy nemzeti elektromos hálózati közműveknek, hogy villamos energiát megújuló forrásokból vásároljanak az összes támogatható résztvevőtől, (mint például napenergiát, szélenergiát, hullám-és árapály-energiát, biomasszát, vízenergiát és geotermikus energiát). A költség-alapú árak tehát lehetővé teszik a legkülönfélébb megújuló energia projektek megvalósitását (szél, nap, stb), valamint a befektetők számára is lehetővé teszik a megfelelő hozamot biztositó megújuló energia beruházások megvalósitását. Ezt az elvet Németországban először a 2000-ben megjelent RES (Renewable Energy System) törvény fejtette ki. "A kompenzációs ráta kidolgozását... a tudományos vizsgálatok állapitották meg, azzal a feltétellel, hogy az ott meghatározott áraknak lehetővé kellett tenniük az adott létesítmény számára – hatékony működtetés esetében – a költséghatékony használatot. A létesitményeknél state-of-the-art technológiát alkalmaztak, annak függvényében, hogy a megújuló energiaforrások valóban rendelkezésre állnak-e az adott földrajzi környezetben." (RES 2000 Aktus, A indokolás) Ennek eredményeként a kompenzációs ráta eltérő lehet a változó energiatermelés okán, igy pl. a telepítés helye szerint (pl. tetőn vagy az épület mellé szerelve), a különböző méretű projektek és az alkalmazott technológia esetén (nap-, szél-, vagy geotermikus energia stb.). Idővel a ráta jellemzően lefelé követi a technológiai változásokat és az általános költségcsökkenést. Ez összhangban van a valós költségek alakulásával és a termelési kifizetések szintjén történő egyeztetéssel. Ezen túlmenően, a FIT rendszer általában garantált felvásárlási árakat kínál a termelt megújuló energiaforrásokból előállitott villamos energia hosszú távú (15-25 évre vonatkozó) szerződésekért. Ezek a szerződések általában a megkülönböztetéstől mentesek minden érdekelt megújuló energia termelő számára. Kötelező átvételi tarifa alkalmazás lépett életbe a világban 2009-től 63 joghatóságra vonatkozóan. Ezekhez tartozik Ausztrália, Ausztria, 15

Belgium, Brazília, Kanada, Kína, Ciprus, a Cseh Köztársaság, Dánia, Észtország, Franciaország, Németország, Görögország, Magyarország, Irán, Írország, Izrael, Olaszország, a Koreai Köztársaság, Litvánia, Luxemburg, Hollandia, Portugália, Dél-Afrika, Spanyolország, Svédország, Svájc, Törökország. A tarifa egyre jobban terjed az Egyesült Államokban is (ahol egy tucat állam akkreditált) valamint Kínában, Indiában és Mongóliában. Az Európai Bizottság 2008-ban kiadott részletes elemzése arra a következtetésre jutott, hogy " az átvételi rendszerek általában jól alkalmazkodtak a grid paritáshoz és a leghatékonyabban és legeredményesebb módon támogatják a megújuló energia rendszereket." Ezt a következtetést támasztja alá számos friss elemzés, többek között a Nemzetközi Energia Ügynökségnél, az Európai Megújuló Energia Szövetségnél valamint a Deutsche Banknál végzett kimutatás.

Itt talál további információt a a megújuló energiaforrások 16

támogatási rendszereiről. http://www.res-legal.eu/

Sources http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, 18.11.2010 http://science.nasa.gov/science-news/science-atnasa/2002/solarcells/ http://en.wikipedia.org/wiki/Building-integrated_photovoltaics, 18.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic, 18.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panel, 19.11.2010 http://de.wikipedia.org/wiki/D %C3%BCnnschichtsolarzelle#D.C3.BCnnschichtzellen, 19.11.2010 http://www.solarserver.com/knowledge/basicknowledge/photovoltaics.html, 19.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics, 19.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics_in_transport, 18.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Feed-in_tariff, 18.11.2010 http://www.res-legal.eu/, 19.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_satellite, 19.11.2010

17

Markus Bauer a tér és környezetvédelmi tervezés terén végezte tanulmányait és az IHK Zetis GmbH cégnél dolgozik az energia hatékonyság terén különféle a megújuló energiával kapcsolatos projekteken

A klimaváltozás, az energiahatékonyság és az innováció terén a Szövetésgi Kormány és a DIHK terén az érdeklődő vállalatok számára a

Kapcsolat IHK Zetis GmbH Europaallee 10 67657 Kaiserslautern Germany Tel: +49(0)631-303 1236 Email [email protected]

Ez a szakmai anyag az Interreg IV. C program Megújuló Energia Transzfer Rendszer – Renewable Energies Transfer System (RETS) projekt keretében került bemutatásra, melynek a finanszirozását az Európai Regionális Fejlesztési Alap látta el. A projekt 2010. januártól 2012. decemberéig tartott. Ha további információra lenne szüksége az alábbi honlapon ezek elérhetőek: http://www.retscommunity.eu/

18