Ahhoz, hogy a Nap fényenergiáját elektromos árammá tudjuk alakítani, speciális átalakítókra - napelemekre van szükségünk. Az utóbbi években több cég alakult Magyarországon is, akik a napenergia otthonunkban történő elektromos áramkénti hasznosításával foglalkoznak. Sajnos még egy "kicsit" drágák a szolgáltatásaik. Ezen az oldalon arról olvashatsz, hogyan tudod saját magad megtervezni és akár ki is vitelezni a háztartásod villamos gépeinek napelemekkel történő meghajtását.

 

A napelemek

A napfényt elektromos energiává alakító napelemek első, és ma is nyolcvan-kilencven százalékban használt nemzedéke a csipek készítéséhez használt kristályos szilíciumból áll. Ennek hátránya, hogy más félvezetőknél rosszabbul abszorbeálja a fényt, és ezért a jó, 13-15 százalékos hatásfok eléréséhez néhány tizedmilliméter vastagságú lemezkét kell használni, tehát viszonylag sok kell belőle. Ez a kristályos szilícium ára miatt drágává teszi a napelemet, s ezen keresztül a vele előállított áramot.

Húsz éve foglalkoznak már a vékonyréteges napelemek kifejlesztésével, amelyekben a félvezetőréteg csak néhány mikrométer vastagságú. A jelenleg gyártott vékonyréteg-napelemek amorf szilíciummal készülnek, de ezek hatásfoka 10 százalék alatti. Újabban más félvezetőkkel is próbálkoztak. Közülük különösen kedvezőnek látszik a réz-indium-gallium-diszelenid, amelyből egy mikrométeres réteg is elég a napfény energiája 12-14 százalékának elektromos energiává alakításához.

 

A következő táblázatban néhány napelem teljesítményét és az árát tekintheted meg. Az áramokat úgy kaphatjuk meg, hogy a teljesítményt elosztjuk a maximális kapocsfeszültséggel, ami általában 17-17,5 V a 12 V-os névleges feszültségnél és 33-33,5 V a 24 V-osnál.

Típus	TE500P	ENER750	PW1000	TE1250Q6	TE1800
Feszültség	12 V	12 V	24 V	12 V	24 V
Teljesítmény	50 W	75 W	100 W	120 W	180 W
Áram	2,94 A	4,41 A	3,03 A	7,05 A	5,45 A
Tömeg	5,2 kg	7,8 kg	10,5 kg	11,4 kg	17 kg
Ár	67500 Ft	94500 Ft	129500 Ft	149500 Ft	224500 Ft

4.táblázat. Néhány napelem teljesítménye és ára

Akkor tudjuk a leghatékonyabban hasznosítani a napelemeket, ha azokra merőleges szögben érkezik a napsugár. Az általánosan alkalmazott módszer viszont az, hogy a napelemeket a házak tetejére helyezik, arra az oldalra, ahol több ideig éri a napfény.

Erről és a napsugárzásról itt olvashatsz bővebben.

Próbálj meg játszani a különböző feszültségekkel. Azt fogod látni, hogy akár 12, 24, 36 vagy 48 voltot választasz (itt), a szükséges akkumulátorok és napelemek száma ugyan változni fog, de az áruk nagyjából megegyezik.

Hogyan lehetne ezt csökkenteni? A gyári akkumulátorok és napelemek árának csökkenését is kivárhatjuk, de ez talán túl sokáig tarthat, mivel az ezzel foglalkozó vállalkozások a lehető legtöbb hasznot akarják húzni a lehető legrövidebb idő alatt. Az egyik lehetséges árcsökkentés, ha magunk készítünk napelemeket.

 

Az itt következő leírásra az egyik Olvasó - SirLeslie - hívta fel a figyelmemet, majd le is fordította.

Készíts napelemet a konyhádban

A napelem elkészítéséhez a következő anyagok kellenek:

• Egy fényes, körülbelül 75 mm oldalhosszúságú, négyzet alakú rézlemez.
• Két krokodil csipesz.
• Egy érzékeny mikroamper mérő, amivel 10-50 mA közötti értéket lehet
  mérni.
• Egy elektromos tűzhely. A kis 700 wattos alighanem nem lesz jó, a kísérletben 1100 wattos szerepel.
• Egy nagy, tiszta műanyag üveg, pl. 2 literes pet palack, levágott felső
  résszel.
• Egy nagy szájú üvegedény
• Pár evőkanálnyi asztali só
• Csapvíz
• Dörzspapír vagy fúrógép drótkefével
• Lemezolló a rézlap vágásához.

Hogyan építsük meg a napelemet

A tűzhely így néz ki:

 

Az első lépés a tűzhely méretéhez leszabni a réz lapot. Mosd meg a kezeidet, hogy zsír és/vagy olaj ne kerüljön a lemezre. Ezután tisztítsd meg a réz lemezt is az olajtól, zsírtól és az egyéb szennyeződésektől. (Cif-et vagy hasonló szert javaslok erre (SL).) Használj dörzspapírt vagy a drótkefét a réz lemez alapos tisztításhoz, ha azon korróziós szennyeződés található. Következő: tedd a tiszta és megszárított lemezt a tűzhelyre és kapcsold
maximumra.

 

Ahogyan kezd a rézlemez melegedni, csodálatos oxidációs mintákat fogsz látni: narancsos, lilás és vöröses lesz a rézlemez felülete.

 

Ahogy melegszik a réz, a színek kicserélődnek szénfekete réz oxidra. Ez nem az az oxid réteg, amit mi szeretnénk, de kis idővel vékony réteg keletkezik, mutatva a vöröses, narancsos, rózsaszínes és lilás rézszerű oxid réteget.

 

Az utolsó színváltozás a tűzhely vörös izzásánál történik meg.

 

Amikor a tűzhely izzó piros, a réz lemez fekete rézszerű oxiddal lesz bevonva. Melegítsük tovább egy fél óráig, amíg a fekete réteg megvastagszik. Ez fontos, mivel a vastag réteg könnyen lejön, amíg a vékony bevonat "megtapad" a rézen.

 

Fél óra melegítés után kapcsold ki a tűzhelyet. Hagyd a forró lemezt lassan kihűlni a tűzhelyen. Ha gyorsan hűl ki, akkor a fekete oxid meg fog tapadni a rézlemezen.

 

Amint kihűl a lemez, az összehúzódik, ugyanúgy, mint a fekete oxidréteg is, de mivel ez különböző sebességgel történik, ezért a fekete réz-oxid réteg különválik, feljön.

 

A kis fekete pikkelyek megfelelő erő hatására lerepülnek a lemezről néhány cm-re. Ez egy kis takarítást is jelent a tűzhely körül, de ez is kellemes időtöltés.

 

Mire a rézlemez lehűl szobahőmérsékletre (ez kb. 20 percet vesz igénybe), a fekete oxidréteg nagyja már lepattogzik róla. A kezeddel csapvíz alatt egy kicsit megdörzsölve az összes kis pernyét letisztíthatod. Állj ellen a kísértésnek, hogy az összes fekete foltot a rézlemezről erős dörzsöléssel vagy hajlítgatással távolítsd el, mivel ez megsértheti a kényes vörös réz-oxid réteget, amiből a napelemet akarjuk készíteni.

Az építés további része nagyon egyszerű és gyorsan elvégezhető. Vágjál ki egy másik rézlemezt, melynek mérete az elsővel megegyezik. Enyhén hajlítsd meg mind a két darabot úgy, hogy beleilleszkedjenek egy műanyag üvegbe, de ne érjenek egymáshoz. A réz-oxid réteg, ami az első lemez felületén található, a Nap felé néz, mivel ennek van a legsimább, legtisztább felülete.

Csatlakoztasd a két krokodil csipeszt, egyiket az első lemezre, a másikat pedig a másodikra. A tiszta rézlemez vezetékét a műszer pozitív kapcsára kössük, a réz-oxiddal bevont rézlemez csatlakozóját pedig a negatív kapocsra. Öntsél egy evőkanálnyi sót forró vízbe. Addig kevergesd, míg az összes só el nem olvad. Ezt követően óvatosan öntsed be a sós vizet az edénybe, ügyelve arra, hogy a csipeszek ne legyenek vizesek. A sós víz ne fedje be teljesen a lemezeket, kb. 2,5 cm-rel emelkedjenek ki a lemezek a vízből, így a "napelemet" anélkül forgathatod, hogy a csipeszek nedvesek lennének.

A fenti ábra árnyékban lett készítve. Figyeld meg, hogy a műszer 6 mA-t mutat. A napelem olyan, mint egy elem, még a sötétben is mindig fog néhány mA-es áramot mutatni.

A fenti ábra a napelemet mutatja napsütésnek kitéve. Figyeld meg, hogy a műszer mutatója kb. 33 mA-re ugrott. Néha eléri az 50 mA-t is, miközben a mutató állandóan rezeg.

 

Hogyan működik a napelem?

A réz-oxid félvezető anyag. A félvezető anyag az elektromos áramot vezető- és szigetelő anyagok közötti átmenet, ahol az elektronok erősen kötődnek az atomjaikhoz és nem "repülnek el" olyan könnyen.

A félvezetőben egy réteg van azon elektronok között, melyek erősen kötődnek az atomjaikhoz, és azon elektronok között, melyek messzebb vannak az atomjaiktól. Ez utóbbiak könnyen elszakadhatnak és így szabadon vezethetik az áramot. Az elektronok nem tudnak a rétegben maradni.

Az elektron nem kaphat csak egy kis energiát, amitől kiszakadna az atommag vonzásából és a rétegbe jutna. Az elektronnal annyi energiát kell közölni, hogy az az atommagtól elég messze kerülhessen, a rétegen túlra.

Ehhez hasonlóan, egy, a rétegen kívül eső elektron nem tud kis energiát veszítve egy atommag vonzásába kerülni. Annak sok energiát kell veszítenie, hogy a rétegen átjutva olyan helyre kerüljön, ahol az elektronok tartózkodhatnak.

Amikor a napfény a réz-oxid elektronjaival elegendő energiát közöl, azok közül néhány át tud ugorni a rétegen és szabad elektronként vezetheti az áramot. A szabad elektronok a sós vízbe jutnak, onnét a tiszta rézlemezre, majd a vezetékeken és a műszeren keresztül visszatérnek a réz-oxidos lemezre.

Amint az elektronok a műszeren keresztül áramolnak, munkát végeznek, amit a mutató kilengése jelez.

Mikor árnyék vetül a napelemre, kevesebb elektron tud átáramolni a műszeren, így a mutató visszamegy majdnem alapállásba.

 

 

Azok számára, akik a gyakorlatban is használható napelemet akarnak építeni, az itt következő információ hasznos lehet.

Otthon gyártott 100 W-os napelemek

Ez egy nagy áttörés a napelemek gyártásában, mely jelentősen lecsökkenti a napenergia árát, kb. 90 dollárra (18000 Ft-ra) kilowattonként. Ez a technológia meglepően egyszerű. Ahelyett, hogy a szilíciumot finomítanánk majd a cellát építenénk meg, mi először a cellát építjük meg, s csak azután finomítjuk a szilíciumot.

A folyamat egy cellát állít elő közönséges parti homokból (szilícium-dioxidból). A cella elkészítése után a homokot kémiai kezelésnek vetjük alá: a reakció elvonja az oxigént, s csak a majdnem teljesen tiszta félkristályos szilícium marad. A maradék nem teljesen tiszta anyag átrendeződik egységes sorba, melyek p-n kapcsolatot alkotnak. A cella vastagságának minden egyes centiméterében sok száz p-n átmenetet kapunk, mely körülbelül 120 V egyenfeszültséget ad normál napsütés mellett. A panel vastagsága határozza meg a feszültséget, a területe pedig az áramot. Az áramsűrűség tipikusan 4 A/m2.

Könnyen építhetünk egy 100 W-os cellát. Ehhez egy közönséges fémlap szükséges, amit befedünk kb. 1 cm vastag parti homokkal, ezt befedjük egy lemezzel - ez lesz az elülső kollektor, ezt ismételten befedjük egy védő üvegréteggel és mindezt összeszorítjuk nagy gumiszalagokkal, kötöző zsinórral vagy valami ehhez hasonlóval.

A végső kémiai finomítás érdekében óvatosan el kell távolítanunk az üvegtakarót majd permetezzük be a homokot 2 liter 3,7 Dimethylpentadecon-2-ol Propionate-tal. (lásd a 2. és 3. megjegyzést) Egy közönséges ablaktisztító palack megteszi spriccelőnek. A reakcióidő 4 óra. Mivel a reakció fényérzékeny, ezért a fényképek előhívásánál szokásos fény mellett végezzük a kémiai tisztítást.

A paneleket természetesen sorba és párhuzamosan is köthetjük, ezáltal növelve a feszültséget és az áramot.

 

Az eredeti angol nyelvű szöveget itt találhatod meg.

Megjegyzések:

1. Ha a réz-oxidos kísérletnél a másik lemez nem rézből, hanem pl. cinkből lenne, akkor talán lehetne növelni a kimeneti feszültséget és talán az áramerősséget is.
2. Az a bizonyos "3,7 Dimethylpentadecon-2-ol Propionate" nevű szer valami kitaláció. Ilyen névvel nem rendelkeznek kémiai vegyületek, de azért szépen hangzik. Ha neked vannak kémiai ismereteid és tudsz olyan szerről, ami a szilícium-dioxidból eltávolítja az oxigént, azt mindenképpen írd meg nekünk.
3. Hogyan távolíthatjuk el az üvegtakarót, miután mindent összekötöztünk? Ez is valami vicc. De minden vicces ötlet elindíthat bennünk egy hasznos gondolatot. A cikket csak olyan céllal tettem be erre az oldalra, hogy valami kiindulási alapot adjak az esetleges kísérleteidhez.

 

A másik árcsökkentő lehetőség az, hogy nem napelemeket használunk, hanem valami más módon állítjuk elő a szükséges áramot, mondjuk a szélenergia hasznosításával. Erről olvashatsz a következő oldalon.

 

Kapcsolódó kísérletek:

• Szilícium előállítása 1

Akkumulátorok MenüSzélenergia

 

Utolsó frissítés dátuma: 2004 október 12.