Fotovoltaikus napelemek fényvisszaverése

Egyre szélesebb körben használnak fotovoltaikus (PV) berendezéseket mind háztartási méretű kiserőművek, mind közepes és nagy teljesítményű naperőművek formájában, minek kapcsán felmerült a kérdés, hogy a fotovoltaikus napelemek fényvisszaverése hatással van-e a környezetre, tekinthetők-e a napelemek fényszennyező forrásnak. A PV napelemek a fényt közvetlenül elektromos energiává konvertálják félvezető segítségével. A fotovoltaikus szó a görög φῶς (phōs), "fény", valamint a "volt", az elektromos erő mértékegységéből származik, melyet egyébként Alessandro Volta olasz fizikusról neveztek el.

Kristályos szilícium napelemek általános felépítése (Keret, Üveg, EVA= etil-vinil-akrilát, Napelemek, Csatlakozódoboz, EVA, Kompozit fólia).

Napelem felépítése és működése

Szilícium cella (piros), üveggel bevont szilícium cella (kék) és az üveg alatt reflexió-gátló réteggel bevont cella fényvisszaverő képessége (zöld) a hullámhossz függvényében. Az ARC jelentősen csökkenti a visszaverő képességet, a 600 nm hullámhosszal bíró fény esetében a visszaverés mértéke a nullát közelíti.

Az elmúlt évszázadban számos napelem típus készült, melyek felépítése változott, új anyagokat használtak fel a hatásfok és megbízhatóság növelése, továbbá a bekerülési költség csökkentése érdekében.[1] A legnagyobb hatékonysággal működők a kristályos szilícium napelemek, mely típust 1954 óta gyártják sorosan kötve, üveg előlap és műanyag hátlap közé laminálva.[2][3][4]

A napelem hatásfoka azt fejezi ki, hogy a beérkező napenergia hány százalékát sikerül elektromos energiává alakítani. Így ezt a paramétert többek között a beérkező fotonok, tehát az elnyelt fény mennyisége befolyásolja, így az egyébként fényes felületű panelek fényvisszaverését minimalizálni kell. Ez a megfelelő szög beállításával, illetve speciális mikrostruktúrával és bevonattal történik.

Ahhoz, hogy maximális mennyiségű foton érkezzen a szilícium cellákra, a napelemeket a nappal szembe, merőleges állásba kell fordítani. Napkövető technológia segítségével a legnagyobb mértékű a fotonbefogás lehetősége. A gyakrabban alkalmazott fix napelemek esetében azok irányát és dőlésszögét a nap járásához mérten optimalizálják (ez Magyarországon például déli tájolás esetén 15-30° között van).

A fényelnyelést a felület minősége szintén befolyásolja. A sima, fényes felületeken nagyobb a visszaverődés, viszont texturálással, a felületek marásával csökkenthető a visszavert fénymennyiség.[5][6]

Fényvisszaverődés-gátló bevonatnak(wd) (angolul anti-reflective coating, ARC) a napból érkező fény visszaverődésének, illetve fénytörésnek megelőzése a feladata. Ezt az üvegborítás alá, a cella felszínére és/vagy az üveglap felszínére helyezik különböző eljárásokkal (például fizikai gőzöléssel, vegyi gőzöléssel, termikus permetezéssel, diffúzióval vagy lézer segítségével), egy vagy több rétegben.[4] ARC alkalmazásával 30%-ról akár 1,4%-ra csökkenthető a fényvisszaverés, így a cellák hatásfoka 37,76%-ra is emelkedhet,[7] ugyanis a reflektancia index a védő üvegre vonatkozóan 1,52, a szilícium cellára 4,71, ezzel szemben az AR rétegeké a nullát közelíti.[8] Ezentúl a rétegek ellenállóak az időjárási tényezőkkel és a hőmérsékletváltozásokkal szemben.

Ki kell azonban azt is hangsúlyozni, hogy mindez hullámhossz függő: a 0%-os visszaverést, így a 100%-os elnyelést a 450-625 nm-es tartományba eső hullámok közelítik, azonban az egyéb hullámhosszak esetében is meglehetősen hatékonyan működnek ezek a speciális bevonatok. Mindez jól kiegészíti a szilícium felület azon tulajdonságát, hogy az említett hullámhosszú sugarakat nagyobb intenzitással veri vissza.[8][9]

A visszavert fény jellemzői[10]

Brewster törvénye a polarizációs szögnél

A természetes fény hullámtermészetét tekintve elektromágneses hullám, melyből adódóan transzverzális, tehát rezgése a terjedés irányára merőleges. A transzverzális hullámok polarizálhatóak, melynek lényege, hogy a hullámok csak egy meghatározott irányban, síkban rezegnek. Az olyan fényt, amelynek rezgései egyetlen irányba esnek lineárisan poláros vagy síkban poláros fénynek nevezzük, ekkor a kitérés mértéke és előjele változhat. Ha a rezgés síkja forog a hullám haladásával és a kitérés mértéke változatlan, akkor cirkuláris a polarizáció, míg a kettő átmenetét elliptikusnak nevezzük.

A természetes fény polarizálatlan, amiből polarizáltat kapunk, ha polárszűrőn engedjük át, például polarizált napszemüvegen vagy fényképezőgép polárszűrőjén. Ezenfelül polarizált fényt visszaveréssel is létre lehet hozni. A dielektrikum felületeknél – pl. üveg – speciális esetben, egy bizonyos szögben beeső sugárzás esetében teljesen síkpolarizált a visszavert fény, mégpedig akkor, ha a visszavert és a megtört fénysugár pontosan 90°-os szöget zár be. Ennek felismerésével leírhatóvá vált a polarizáció törésmutatóval való kifejezése, amit David Brewster után Brewster-törvénynek(wd) nevezünk:

tgε=n,

ahol n a közeg (dielektrikum) törésmutatója; ε pedig a fény beesési szöge.

Lehetséges ökológiai hatás

A természetben a víz és a vízgőz polarizálja a természetes fényt, ami néhány (jellemzően vízhez kötődő) rovar esetében útmutató jel lehet, így a mesterségesen polarizált fény befolyásolhatja egyes fajok migrációját. Ez a jelenség olyan mesterséges felületek, mint az aszfalt vagy az üveg esetében már ismert.[11][12][13]

Az említett példákkal ellentétben a fotovoltaikus napelemparkokban végzett ökológiai megfigyelések azonban ezidáig nem támasztották alá, hogy a napelem panelek esetében is megfigyelhető lenne ez a jelenség. Az ökológiai megfigyelések eddigi eredményei alapvetően éppen ellenkező eredményre jutottak, azaz a napelemparkok pozitív hatással vannak a biodiverzitásra, különösen a rovarokra. A napelemparkokban kialakuló természetközeli gyep zavartalan és gazdag élőhelyet biztosít számos rovarfajnak, így azok egyedszáma és fajdiverzitása szignifikánsan nőhet. Rovarok pusztulása a napelem paneleken nem volt megfigyelhető.[14][15][5]

A napelem panelek alapvetően – az aszfalttal szemben – arra lettek tervezve, hogy a fényt minél nagyobb arányban elnyeljék és aktívan hasznosítsák, ezáltal a lehető legkisebb mértékben verjék vissza. A jelenleg forgalomban lévő fotovoltaikus napelemek már csupán nagyon kis százalékban (~1,4 - 0%) verik vissza a napfény emberi szem számára látható tartományát.[9]

További információk

  • Pveducation
  • PV Magazine

Jegyzetek

  1. ↑ Goncalves, L. M., Bermudez, V. Z., Ribeiroa, H. A., Mendes, A. M (2008). „Dye-sensitized solar cells: A safe bet for the future”. Energy Environ. Sci., 655-667. o. DOI: 10.1039/b807236a.  
  2. ↑ Guarnieri, M (2015). „More light on information”. IEEE Industrial Electronics Magazine 9 (4), 58–61. o. doi:10.1109/MIE.2015.2485182.  
  3. ↑ Kho, J. L. H, Airey, M., Simpson, M. C.szerk.: In Carter, J. G: The future of organic solar energy harvesting complexes, Solar energy and solar panels systems, performance and recent developments. New York: Nova Science Publishers, pp. 165-196. o. [2017] 
  4. ↑ a b Ekren, N (2018). „Researches on Anti-reflection Coating (ARC) Methods Used in PV Systems”. Balkan Journal of Electrical & Computer Engineering Vol. 6. DOI:10.17694/bajece.402004.  
  5. ↑ a b Harrison, C, Lloyd, H. and Field, C (2017. március 9.). „Evidence review of the impact of solar farms on birds, bats and general ecology”, Kiadó: Manchester Metropolitan University.  
  6. ↑ Zhang, X., Di, Q., Zhu, F., Sun, G., Zhang, H. (2011). „Wideband anti-reflective micro/nano dual-scale structures: fabrication and optical properties”. Micro & Nano Letters 6 (11), 947–950. o. doi: 10.1049/mnl.2011.0487.  
  7. ↑ Lennie, A., Abdullah, H., Shila, Z. M., Hannan, M. A. (2010). „Modelling and Simulation of SiO2/Si3N4 as Anti-reflecting Coating for Silicon Solar Cell by Using Silvaco Software”. World Applied Sciences Journal 11 (7), 786–790. o.  
  8. ↑ a b Green, M. A (2008). „Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300 K including temperature coefficients”. Solar Energy Materials and Solar Cells 92, 1305–1310. o.  
  9. ↑ a b Tom Markvarta, Luis Castaner.szerk.: McEvoy, A, Markvart, T. & Castañer, L: Principles of Solar Cell Operation, Practical Handbook of Photovoltaics. Fundamentals and Applications. Elsevier, 3-14. o. (2013) 
  10. ↑ Ábrahám, Gy.szerk.: Ábrahám, Gy: A fény polarizácíója, Optika [archivált változat] (pdf), Panem Könyvkiadó, McGraw-Hill Book Company, 360-382. o. [1997]. Hozzáférés ideje: 2020. március 12. [archiválás ideje: 2020. január 23.] 
  11. ↑ Kriska, G., Horvath, G., Andrikovics, S. (1998). „Why domayflies lay their eggs en masse on dry asphalt roads? Water-imitating polarized light reflected from asphalt attracts Ephemeroptera”. Journal of Experimental Biology, 2273–2286. o.  
  12. ↑ Malik, P., Hegedüs, R., Kriska, G., Åkesson, S., Robertson, B., & Horváth, G. (2010). „Asphalt surfaces as ecological traps for water-seeking polarotactic insects: How can the polarized light pollution of asphalt surfaces be reduced?”. Asphaltenes: Characterization, Properties and Applications, 81-119. o, Kiadó: Nova Science Publishers. ISBN: 9781607414537.  
  13. ↑ ROBERTSON, B., KRISKA, GY., HORVÁTH, V. & HORVÁTH, G. (2010). „GLASS BUILDINGS AS BIRD FEEDERS: URBAN BIRDS EXPLOIT INSECTS TRAPPED BY POLARIZED LIGHT POLLUTION”. Acta Zoologica 56 (3), 283–293. o, Kiadó: Academiae Scientiarum Hungaricae.  
  14. ↑ Peschel, T. (2010). „Solar parks –Opportunities for Biodiversity, A report on biodiversity in and around ground-mounted photovoltaic plants”, Berlin (45), 3-35. o, Kiadó: German Renewable Energies Agency. ISSN 2190-3581.  
  15. ↑ Montag, H., Parker, G., Clarkson T (2016). „The Effects of Solar Farms on Local Biodiversity; A Comparative Study” (PDF), Kiadó: Clarkson and Woods and Wychwood Biodiversity. [2019. november 15-i dátummal az eredetiből archiválva]. ISBN: 978-1-5262-0223-9. (Hozzáférés: 2020. március 9.)