A megújuló energiaforrások közül a napenergia térnyerése a legnyilvánvalóbb. A jelentős napelem-parkok száma világszinten immár eléri a 6630-at, ehhez kapcsolódóan pedig 850 szignifikáns energiatároló üzemel.
A napelemek fejlődése
A napelemek történetének kezdete egészen a 19. századig vezethető vissza, amikor egy francia fizikus, Edmond Becquerel, megépítette az első fotovoltaikus elemet, azonban ez még nem volt napelemnek nevezhető. A fotovoltaikus hatás azt jelenti, hogy a szerkezet a napfény energiáját elektromos árammá alakítja. 1883-ban Charles Fritts volt az első, aki megépítette a mai modern napelemekhez hasonlóan működő eszközt, amely egy vékony rétegű szelén bevonatú tábla volt, és amelynek hatásfoka 1% körül mozgott. Az 1950-es években amerikai kutatók elérték a 4%-os teljesítményű szerkezetet, viszont ekkor még az előállítási költsége igen magas volt, így az ára sem volt túl kifizetődő hétköznapi emberek számára. A következő 50 évben tovább folytak a fejlesztések és a kísérletezések, és az áruk és az előállított Watt mennyiségének aránya szignifikánsan csökkent (1950-ben 76 $/Wattról 0.10 $/Wattra 2023-ban). Az elmúlt 10-15 évben a napelemek hatékonysága 15%-ról 20-23%-ra nőtt. Ez tehát azt jelenti, hogy a beérkező napfényből az energia 20-23%-át képesek elektromos árammá alakítani. A hatásfok javulása betudható a technológiai fejlesztéseknek, a napelem cellák tervezési optimalizációjának (pl. a vastagság átalakítása) valamint az inverterek (áramátalakítók) fejlődésének, ami egy fontos szempont a veszteségek minimalizálása szempontjából. Az elmúlt 1-2 évtizedben azonban nem csak a hagyományos napelemek hatásfokának fejlesztése zajlott. Különféle technológiák, kísérletezések révén igyekeznek a tudósok, startup cégek minél kreatívabban, minél több áramot előállítani napenergiából.
Napkövető napelemek
A napkövető napelem egy olyan technológia, amely lehetővé teszi a napelemeknek, hogy kövessék a Nap mozgását az égen, így mindig optimális szögben helyezkedjenek el a napsugarak beesési szögéhez képest. Ezek a rendszerek több napfényt képesek befogni a nap mozgása során, növelve ezzel az energiahatékonyságot. Bár a napkövető napelemek általában drágábbak és összetettebbek, mint a fix elrendezésű napelemek, de hosszú távon nagyobb teljesítményt és energiahozamot eredményezhetnek. A napkövető napelemek hatásfoka 20% fölé is kerülhet, így hatékonyabbnak bizonyulhat a hagyományos napelemmel szemben.
Napelemfák
A fa alakú napelemeket általában városon belül helyezik el, és főként dekoratív elemként szolgálnak. Ezek a rendszerek kis méretűek és esztétikusak, céljuk a városi területeken történő energiaellátás javítása, valamint a megújuló energiaforrások népszerűsítése. Számos előnnyel járnak, például a városi területeken történő energiahatékonyság növelése, az esztétikus környezet kialakítása, valamint a kis méret és mobilitás révén könnyű telepíthetőség és szállíthatóság.
Napelemes sétány, napelemes térkő
A napelemes térkövek, sétányok több országban megtalálhatóak már, például Franciaországban, Amerikában és Holldandiában is található egy-egy útszakasz, míg Hollandiában a napelemes térkőből kirakott sétány egy magyar találmány, amely egy 400 m2-es közterületen helyezkedik el, és a városházát látja el árammal. A sétány évente 53 000 kWh áramot termel, ami 15 átlagos háztartás éves energiaszükségletét jelenti.
Napelemes festék
A napelemes festék ötlete már néhány éve terítéken van a kutatók körében, azonban a gyakorlati megvalósítás lassabb lett, mint tervezték. A találmány, a SolarPaint, egy olyan “átlagos” festék, amiben milliárdnyi fényérzékeny anyag van, amelyek képesek befogni a napenergiát és átalakítani azt elektromos árammá. A SolarPaint már több, mint egy elképzelés, azonban a megvásárolható termékek kategóriájába még nem tartozik bele. Számos egyetem és kutató dolgozik rajta, a legnagyobb elért teljesítmény pedig a napenergia 5-8% befogása volt. (A hagyományos napelemé 18-22%). Az így létrehozott elektromos áramot általában vezetőképes rétegeken keresztül vezetik el, majd ezt az elektromosságot további rendszerek segítségével a ház elektromos hálózatába irányítják.
Napelemes ablakok
A napelemes ablakok olyan beágyazott napelemeket tartalmaznak, amelyek napfényből elektromos áramot termelnek. Az ablakokat olyan speciális anyagokkal és rétegekkel kezelik, amelyek a napfény hatására elektromos áramot termelnek. Ezek a beágyazott napelemek gyakran átlátszóak vagy fél-átlátszók, így továbbra is lehetővé teszik a természetes fény bejutását a helyiségbe. Az ablakba építhető, innovatív napelemek a világ legkisebbjei, a nagysága akkora, mint ¼ rizsszem. A napelemes ablakok hatásfoka általában alacsonyabb lehet, mint a hagyományos napelemeké, mivel az átlátszó vagy félig átlátszó felület miatt kevesebb napfényt képesek befogni és átalakítani elektromos energiává. A jelenleg elérhető napelemes ablakok hatásfoka általában 3%-tól akár 10% körüli értékig terjedhet, attól függően, hogy milyen technológiát alkalmaznak és milyen típusú üvegre épülnek.
Napelemes cserepek
A napelemes cserepet 2010-ben először egy magyar villamosmérnök mutatta be, majd a későbbiekben a Tesla is előállt egy Solar Roof találmánnyal. Ezek a cserepek integrált napelem cellákat tartalmaznak, amelyek napenergiát gyűjtenek és alakítanak át elektromos árammá. A cél az, hogy a napelemek ne legyenek különálló, felhelyezett panelek, hanem szerves részei legyenek az épület külső borításának. Bár innovatívabb és dekoratívabb a hagyományos tetőre szerelhető napelemeknél a hatásfoka sajnos elmarad a hagyományosétól, tehát ár-érték arányban még elmarad, így nem annyira versenyképes, de vannak bíztató előrelépési lehetőségek a találmányban.
Thin-Film napelemek
A Thin-Film napelem egy olyan technológiai típus, amely vékony (350x vékonyabb a hagyományosnál), rugalmas rétegeket alkalmaz a fotovoltaikus cellák kialakítására. Ezek a cellák általában különböző fém- vagy szerves alapú anyagokból készülnek, és vékonyabbak, könnyebbek és rugalmasabbak lehetnek, mint a hagyományos szilícium alapú napelemek. A Thin-Film napelem rugalmasabb tervezési és telepítési lehetőségeket biztosít. Ezek a napelemek gyakran alkalmazhatók olyan területeken, ahol az esztétika és a könnyű súly fontos szempontok, így gyakorlatilag bármilyen felületet be lehetne vele borítani, azonban hatásfoka kisebb a hagyományosnál.
Úszó napelem-parkok
Úszó parkok esetén napelempaneleket helyeznek el vízen lebegő szerkezeteken. Ezek a farmok számos előnnyel rendelkeznek, amelyek közé tartozik a hatékonyabb területkihasználás és a hűtő hatás. A víz hűtő hatása növelheti a napelemek hatékonyságát, mivel a hőmérséklet csökkenése javítja a fotovoltaikus cellák teljesítményét. A legnagyobb úszó napelempark Kínában található, ami 200MW-ot tud termelni, ami mellett egy szélerőmű parkot is felépítettek, valamint különböző energiatárolókat. Az egész park képes 550 millió kWh-t termelni egy év alatt. A jelenlegi technológiai állapot mellett az úszó napelemfarmok hatékonysága általában elérheti a 10-20% közötti tartományt.
A világűrben lévő napelemek
Az űrben lévő napelem ötlete még kidolgozás alatt áll. Az elképzelés lényege, hogy űreszközökön elhelyezett nagy területű napelemfarmok a Napból érkező napfényt átalakítják elektromos energiává, majd ez az űreszköz (pl. műhold vagy űrállomás) az űrben lévő nagy teljesítményű mikrohullámú vagy lézeres rendszerek segítségével átvihetné az energiát a Földre. Nagy előnye, hogy a napenergia a világűrben tényleg korlátlanul rendelkezésre áll, hiszen sem felhők, sem napszakok nem szabnak gátat neki.
2023 nyarán a CalTech által fejlesztett MAPLE kísérletsorozat részeként sikerült energiát továbbítani az űrből a Föld felszínére. Habár a továbbított energiamennyiség – 1 milliwatt – kicsinek tűnhet, ez is nagy sikerként könyvelhető el a sci-fibe illő technológia fejlesztése terén. Maga a koncepció azonban több kihívással is szembesül, ilyen az óriási méretű űreszközök építése és üzemeltetése, az energiaveszteség, a vezeték nélküli átvitel biztonsága és az esetleges környezeti hatások.
Szőrös napelemek
Ez a típusú napelem még kísérleti fázisban van, technológiája pedig abból áll, hogy a felületét apró nanodrótok alkotják, aminek a kinézete alapján kapta az elnevezését is. A nanodrótok segítségével a napelem fényelnyelő képességét és így a hatásfokát szeretnék növelni.
Hibrid napelemek
A hibrid napelem a napenergia és valamilyen más megújuló energiának gyűjtésének kombinációját jelenti. Ez általában úgy szokott megvalósulni, hogy a napelem hátuljában víz áramlik, ami folyamatos hőenergiát állít elő és hűti a napelemet. Hibrid napelemnek nevezik továbbá azt is, amikor a napelemhez egy akkumulátor kapcsolódik, ami a közvetlen hálózati betáplálás helyett gyűjti a fel nem használt energiát, majd a termelésen kívüli időszakban elfogyaszthatóvá válik.
+1: Áramtermelés algákkal, avagy a biofotovoltaikus energia
A biofotovoltaikus energiát fotoszintetizáló mikroorganizmusok állítják elő, melyek az életfolyamataik során a napfény segítségével bontják szét a vízmolekulákat. A folyamat során energia szabadul fel. “A HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont (HUN-REN SZBK) Növénybiológiai Intézetének munkatársai egy olyan zöldalgatörzset azonosítottak, amely körülbelül tízszer magasabb áramtermelésre képes, mint az irodalomban eddig ismertetett algafajok. A Parachlorella kessleri MACC-38 algatörzs alkalmazása a bio-fotovoltaikus (BPV) eszközökben jelentősen növelheti az áramtermelés hatékonyságát, így ezek a fosszilis energiaforrások ígéretes zöld alternatívájává válhatnak.”
(Forrás: HUN-REN Magyar Kutatási Hálózat)
Tudtad? – Érdekességek a napenergiáról
- A legnagyobb napelempark Kínában található, ami 2,8 GW energiát tud termelni, 7 millió napelemmel, a következő 5-6 évben szeretnék elérni a 16 GW-os kapacitást.
- Több napenergia érkezik a Földre 1 óra alatt, mint amennyit 1 év alatt felhasználunk.
- Ahhoz, hogy minden napenergiával működjön, 191 000 km2-en lenne szükség napelemre, ez a Föld szárazföld felszínének 0,3%-a (Magyarország területének közel kétszerese).
- Az egyik vezető kínai napelem cég az egyik napelem parkjukat egy óriási panda alakban helyezte el.
- A napelemek élettartama a 40 évet is elérheti.
[A sorozat szerkesztői: Ali Amina, Pálfi Nándor és Szomolányi Katalin]
