Napelem hatékonyság

A napelem hatékonysága a napfény (besugárzás) átalakulásának mértéke villamos energiává. Az utóbbi években - a fotovoltaikus technológia számos előrelépésnek köszönhetőn - az átlag panel konverziós arány 15%-ról 20% fölé emelkedett. Ez a hatékonyság növekedés pedig azt eredményezte, hogy egy normál méretű panel teljesítménye 250W-ról 380W-ra nőtt.
A napelem hatékonyságát két fő dolog határozza meg:

• a napelem cella hatékonysága, a cella kialakításától és a szilícium típusától függően.
• a teljes panel hatékonysága, ideértve a cella elrendezését, konfigurációját és a panel méretét is.

De miképpen is hasonlíthatjuk össze 2 különböző napelem panel hatékonyságát?

Különböző körülmények között a napelemek más és más hatékonysággal alakítják át a napfényt villamos energiává. Így nehéz lenne a különböző napelem panelek összehasonlítása. Emiatt definiálták a gyártók a sztenderd teszt körülményeket (STC). Az STC paraméterei pedig a következők:

• 1.000W besugárzás éri merőlegesen a napelemet
•  folyamatos 25 Celsius fok hőmérséklet mellett
• 1,5-es felhő tényező

Ha valakit érdekel egy napelem hatékonysága, akkor keressen rá adott típusra a neten. Pl. ha egy ajánlatban egy QCells G8 355W-os napelem szerepel, akkor a Google-ban erre célszerű rákeresni: "QCells G8 solar panel datasheet". Minden napelemnek elérhető az adatlapja, amin alapból szerepel a hatékonysága is százalékban. Ha még sem, akkor pedig a teljesítménye és a méretei alapján így lehet azt kiszámolni.

Ha ezt a számítást valaki megérti és alkalmazni is tudja, akkor többet nem fogják félrevezetni a nagy teljesítményű napelemekkel. Tudni fogja, hogy egy 480W-os napelem nem biztos, hogy jobb a 355W-osnál, csak nagyobb.

Napelem cella hatékonyság

A cellák hatékonyságát azok szerkezete és az alkalmazott szilícium alapanyag határozza meg, ami általában P vagy N típusú. (P-type, N-type.)
A cella kialakítása jelentős szerepet játszik a panel hatékonyságában. A napelem cellák hatékonyságát növelő főbb elemek pedig a következők

• a szilícium alapanyag összetétele,
• a több gyűjtősín, azaz busbar (MBB)használata
• és a passzivációs (PERC) technológia alkalmazása

A magas költségű IBC (interdigitated back contact - hátsó érintkezéses) cellák jelenleg a leghatékonyabbak (20–22%), a nagy tisztaságú N-típusú szilícium cellák és a csökkentett busbar árnyékolás vesztesége miatt. Azonban a közelmúltbeli mono PERC cellás MBB-s és a legújabb heterojunction (HJT) cellás napelemek is jóval 20% feletti hatékonysági szintet értek el.

Napelem panel hatékonyság

A napelem panel általános hatékonyságát számos tényező befolyásolhatja, többek között:

• hőmérséklet,
• besugárzási szint,
• cella típus
• és a cellák összekapcsolódásának módja

Meglepő módon még a védő hátlap színe is befolyásolhatja a hatékonyságot. A fekete hátlap (full black) esztétikusabbnak tűnhet, de több hőt vesz fel, ami magasabb cellahőmérsékletet eredményez. Az viszont növeli az ellenállást és ezáltal kissé csökkenti a napelem panel hatékonyságát. 

A fenti ábrán jól látható, hogy a hatékonysági versenyfutás kiindulási pontja, a hagyományos 60 cellás polikristályos és monokristályos napelem volt. Ezek 2021-ben már elavult technológiának számítanak, de továbbra is a legolcsóbban előállítható panelek. Igaz egyre több gyártó állítja át termelését, az olcsó polkristályos napelemről, a drágább monokristályosra.
A következő lépés a hatékonyság növelésében a félcellák bevezetése és a PERC technológia alkalmazása volt. Ezt tovább javították a gyártók azzal, hogy a régi hagyományos 4-5-6 busbar helyett 9-12-16 busbar-t (MBB) kezdtek alkalmazni. Így jutottunk el napjaink legjobb sorozatban gyártott napelem technológiájához a HTJ-hez (HeTeroJunction) és az IBC-hez (Interdigitated Back Contact).

TOP10 leghatékonyabb napelem
2021-ben

A 2021-ben elérhető leghatékonyabb napelemek, a SunPower és az LG által gyártott nagy tisztaságú N-type IBC cellákat használják.
A REC nemrégiben kiadta az Alpha sorozatot, nagy teljesítményű HJT N-type cellák felhasználásával, amivel az IBC cellák szintjéhez közeli hatékonyságot ért el. Amint azt az alábbi táblázatban is látható, a legtöbb gyártó átállt, a hagyományos mono egész cellákról, a hatékonyabb, félbevágott mono PERC cellákra. Ezenkívül a Longi Solar, a Solaria, a Trina Solar, a Jinko, a Canadian Solar és a Hyundai multi-busbar (MBB) félbevágott celláit tartalmazó új generációs modulok is jóval 20% fölé emelték a npelemek hatékonyságát.

Az alkalmazott cella technológia alapján a kicsit bővebb lista így néz ki napelem panel fronton 2021 márciusában.

P-Type vagy N-Type napelem?

Az átlagos napelem rendszer vásárlót vélhetően egyáltalán nem érdekli, hogy a neki ajánlott napelem épp P-Type vagy N-Type cellákból épül fel. De mivel eddig annyiszor került szóba e két fogalom jöjjön egy tömör ismertető.
Egy hagyományos, kristályos szilícium (c-Si) napelem cella, valójában egy szilícium ostya, ami különféle hozzáadott anyagok által képes a hatékonyabb energia termelésre. A P-Type (P típusú) és az N-Type (N típusú) cellák közti fő különbség az elektronok száma.
A P-Type celláknál általában bórt elegyítenek a szilíciumhoz, amelynek eggyel kevesebb elektronja van a szilíciumnál. Így a napelem cella pozitív töltésűvé válik. Az N-Type celláknál viszont foszfor az adalék anyag, aminek eggyel több elektronja van a szilíciumnál. Így a cella negatív töltésűvé válik.

Bár a Bell Labs által feltalált első napelem cella N-Type volt, a P-Type vált elterjedtebbé. Ennek fő oka, hogy eleinte a tudományos felhasználás dominált és a P-Type cellák ellenállóbbak voltak pl. az űrből jövő sugárzással és a lebomlással szemben. Az űrkutatásban betöltött fontos szerepe miatt a napelemek fejlesztése a P-Type cellák irányába tolódott el. És idővel ezen technológia gyűrűzött be a lakossági felhasználásba is.
De több napelem gyártó is fenntartotta az N-Type cellás megoldásokat, azok eltérő előnyei miatt. Mivel itt bór helyett foszfor került a cellák anyagába, ezért ezek mentesek voltak a bór-oxigén hibáktól, amik a P-Type celláknál a hatékonyság és tisztaság csökkenését okozták Az N-Type cellák magasabb hatékonysággal rendelkeznek és kevésbé érinti őket őket a fény okozta degradáció (LID).

A fotovoltaikus technológiára vonatkozó nemzetközi technológiai ütemterv (ITRPV) előrejelzése szerint a P-Type alapú cellák piaci részesedése 2028-ig egyeduralkodó marad. Eközben az N-Type cellák gyártása alig 5% -ról körülbelül 28% -ra nő! Ami hatalmas változás. Mértékében valahol a mono cellák élre töréséhez hasonlatos a poli cellák ellenében.

Jelenleg nem lehet egyértelműen kijelenteni, hogy a P-Type és N-Type cellák küzdelméből, hatékonyságuk alapján melyik kerül ki győztesen. A 2020-as év során például N-Type vonalon 24,13% hatékonyságot sikerült labor körülmények közt elérni. De a P-Type cellák sem maradtak le emögött sokkal a maguk 23,95%-os hatékonyságukkal.

Terület és hatékonyság

A hatékonyság igen nagy különbséget jelenthet a szükséges tetőfelület mennyiségében. A nagyobb hatékonyságú panelek több energiát termelnek négyzetméterenként, és így kevesebb tetőfelületre van szükségük. Ezáltal a korlátozott telepítési felülettel rendelkező háztetők esetén a nagy hatékonyságú napelemek ideális megoldást kínálnak.

Ha egymással szembe állítunk 2 különböző hatékonyságú napelem rendszert, jól látható a különbség.
16 x 285W poli napelem = 3.420W
16 x 380W mono napelem = 6.080W

Hatékonyság valós körülmények között

A való használatban a napelemek működési hatékonysága sok külső tényezőtől függ. A helyi környezeti feltételektől függően ezek a tényezők csökkenthetik a panel hatékonyságát és a rendszer teljes teljesítményét.
A napelem hatékonyságát befolyásoló fő tényezők:

• sugárzás (W/m2)
• árnyékolás
• panel tájolása
• hőmérséklet
• hely (szélesség)
• évszak
• por és piszok

Azok a tényezők, amelyek a valós használat során a leginkább befolyásolják a panel hatékonyságát, a besugárzás, az árnyékolás, az tájolás és a hőmérséklet.

Nézzünk egy ábrát arra vonatkozóan, hogy mondjuk egy 395W névleges teljesítményű napelem mennyi energiát termel különböző besugárzás esetén.

Az ábra jobb oldalán látható, hogy ha a minden napelemnél fixnek vett STC 1.000 W/m2, a hőmérséklet pedig állandóan 25 fok és a felhő tényező 1,5, csak akkor teljesülnek az adatlapra írt számok. Ha a különböző időjárási tényezők változása miatt a besugárzás 800 W/m2-re csökken, akkor a 395W-os napelem már csak 325W körül tud termelni. 200 W/m2 besugárzás esetén pedig alig 70W körül.

A külső hőmérséklet hatása a napelem teljesítményére

Ugyanilyen markáns hatása van a külső hőmérséklet változásának is a termelésre.
A napelem névleges teljesítményét wattban (W) mérve, standard vizsgálati körülmények között (STC) számolják és 25C fokos cellahőmérsékleten mérik. Valójában azonban a cellák hőmérséklete jóval 25C fok fölé emelkedik, a környezeti levegő hőmérsékletétől, a szél sebességétől, a napszakától és a napsugárzás mértékétől (W/m2) függően. Napsütéses időben a cella belső hőmérséklete gyakran 20-30C fokkal magasabb, mint a környezeti levegő hőmérséklete, ami hozzávetőlegesen 8-12%-kal csökkenti a napelem valós teljesítményét.
Ezzel szemben a rendkívül hideg hőmérséklet az áramtermelés növekedését eredményezheti, mivel a PV-cella feszültsége alacsonyabb hőmérsékleten, STC alatt nő. A 25C foknál magasabb vagy alacsonyabb cellahőmérséklet csökkenti, vagy növeli a napelem teljesítményét. Ezt a változást a külső hőmérséklet fokonkénti változásához kötve teljesítmény-hőmérsékleti együtthatónak nevezik és %/C-ban mérik. Például a monokristályos panelek átlagos hőmérsékleti együtthatója -0,38%/C, míg a polikristályos panelek valamivel magasabbak -0,40%/C. A monokristályos IBC cellák sokkal jobb (alacsonyabb) hőmérsékleti együtthatóval (kb. -0,30%/C) rendelkeznek. A magas hőmérsékleten legjobban teljesítő cellák a HJT (heterojunction) cellák, amelyek akár -0,25%/C értékkel rendelkeznek.

A fentiek alapján egy -0,30%/C együtthatóval rendelkező napelem cella például 45C fokos hőmérsékleten dolgozva  (45-25=20) 20x0,30%, azaz 6%-ot veszít a teljesítményéből csak a hőmérséklet miatt.

Ezen cikk tartalma és a képek többsége a cleanenergyreviews.info oldalról származik.

Folytatás rövidesen...
Amennyiben hasznosnak találta az itt olvasottakat, akkor valószínűleg ez is érdekelni fogja!
Melyik napelemes céget válasszam?