A jelleggörbék, általánosan megfogalmazva, a különféle berendezések működési szempontból lényeges fizikai paraméterei közti kapcsolatot írják le. Motorok esetében beszélhetünk például nyomaték-fordulatszám jelleggörbéről, amelyek a motor által leadott nyomatékot mutatják be a fordulatszám függvényében. Villamos berendezések esetén a két legfontosabb mennyiség az áram és a feszültség, így leggyakrabban az áram-feszültség (I-U) jelleggörbét (karakterisztikát) használjuk.
Áram-feszültség jelleggörbe
Szilícium kristályos napelemcella jellemző áram-feszültség jelleggörbéje
Egy napelemcella a legnagyobb áramot rövidzárás, tehát 0 feszültség esetén adja le, ezt rövidzárási áramnak nevezzük. A feszültség növelésével az áram kezdetben szinte állandó, csak igen kis mértékben csökken, azonban egy bizonyos feszültség (kristályos szilícium napelemek esetén kb. 0,5 V) felett meredeken lecsökken. A görbe vízszintes tengelymetszetét, amikor nem folyik áram, üresjárásnak nevezzük, egy cella jellemző üresjárási feszültsége pedig 0,65 V.
A napelem jelleggörbe alakja az elméleti működésük alapján is könnyen megérthető és levezethető. Ahogy azt a napelemek működési elvét bemutató cikkben részletesen is kifejtettem, a napelemek egy félvezető p-n átmenetből állnak (felépítésüket tekintve tehát egy diódával egyeznek meg), amelyen a napfény hatására záró irányú áram alakul ki. Az áram hatására töltések halmozódnak fel a napelem két pólusán, amelyek egy nyitó irányú feszültséget hoznak létre, egy bizonyos feszültség (amit a dióda küszöbfeszültségének nevezünk) felett pedig a fény által szétválasztott töltések a napelemen belül rekombinálódni tudnak, így energiatermelésre csak ennél alacsonyabb feszültség esetén van mód.
Egy, a napelemekkel megegyező paraméterekkel bíró dióda nyitóirányú karakterisztikája a bal oldali ábrán látható. A küszöbfeszültség értéke kb. 0,6 V, amely alatt a dióda szinte egyáltalán nem vezet, felette azonban az árama meredeken megnő. Napelemek esetén a sugárzás hatására a feszültségtől függetlenül egy állandó záróirányú áram jön létre, amelyből le kell vonnunk a dióda jelleggörbéjén látható, feszültségfüggő nyitóirányú áramot, így kapjuk meg a jobb oldali ábrán kékkel jelölt ideális napelem karakterisztikát. A valós karakterisztika a napelem belső (soros és párhuzamos) ellenállásainak hatására ettől a narancssárga görbe szerint kismértékben eltér.
Napelem jelleggörbe származtatása a dióda karakterisztikából
A napelemre kapcsolt fogyasztó szintén jellemezhető egy jelleggörbével. Egy ellenállás esetén, az Ohm törvény értelmében az ellenálláson eső feszültség egyenesen arányos a rajta átfolyó árammal:
Az ellenállás jelleggörbéje tehát egy origóból kiinduló egyenes, mely alacsonyabb ellenállás esetén meredekebb, magasabb ellenállás esetén pedig laposabb. Amennyiben a napelemcella és az ellenállás jelleggörbéit közös koordináta rendszerben ábrázoljuk, akkor a kettő metszéspontjaként meghatározható a rendszer munkapontja. Az alábbi ábrán egy 0,1 Ω-os ellenállás jelleggörbéjét mutatom be, ebben az esetben a napelem kapcsain 0,59 V feszültség alakul ki és az áramkörben 6 A áram folyik. A termelt teljesítmény az áram és feszültség szorzata, ebben az esetben 3,54 W.
Egy napelemcella és egy ellenállás összekapcsolásakor kialakuló munkapont meghatározása a jelleggörbék metszéspontjaként
Teljesítmény-feszültség jelleggörbe
A napelem teljesítmény-feszültség jelleggörbéje az előállított villamos teljesítményt ábrázolja a feszültség függvényében. Ezt a görbét az áram-feszültség jelleggörbéből egyszerűen előállíthatjuk úgy, hogy adott feszültség esetén összeszorozzuk a feszültség és a hozzá tartozó áram értékét.
Napelem áram-feszültség és teljesítmény-feszültség jelleggörbéje egy diagramon ábrázolva
A napelemek teljesítményének van egy jól látható maximuma ott, ahol a feszültség és az áram egyaránt viszonylag magas értéket vesznek fel. Ezt a pontot legnagyobb teljesítményű munkapontnak nevezzük, és a hazai gyakorlatban is elterjedten MPP-nek rövidítjük (az angol Maximum Power Point kifejezésből). A napelemek használata során arra érdemes törekedni, hogy a napelem az MPP-hez minél közelebb tudjon működni, például a napelemre kapcsolt ellenállás értékét úgy célszerű megválasztani, hogy annak jelleggörbéje pont az MPP-ben metssze a napelem jelleggörbét. A valóságban azonban ez nem ilyen egyszerű, mivel a napelemek jelleggörbéje jelentősen függ a sugárzástól és a cellahőmérséklettől, így nem lehet olyan állandó ellenállást találni, ami minden üzemállapotban biztosítja a legnagyobb teljesítményű működést.
A napelemek maximális termelését MPP követő berendezések segítségével biztosítják, amelyek olyan DC feszültségszabályozók, amelyek a napelemek kapocsfeszültségét folyamatosan úgy állítják be, hogy a leadott teljesítmény maximális legyen. Ezt a folyamatot legnagyobb teljesítményű munkapont követésnek (Maximum Power Point Tracking), közismert rövidítéssel MPPT-nek nevezzük. Ez a szabályozó általában az inverterekben található meg, de bizonyos esetekben (pl. optimalizálóval szerelt modulok vagy laboratóriumi rendszerek) más megoldással is találkozhatunk.
Jelleggörbék időjárásfüggése
Az eddig bemutatott jelleggörbék egyetlen napelemcellára vonatkoznak, a kereskedelmi forgalomban kapható napelemmodulok azonban több, sorba kapcsolt cellából épülnek fel. A hazánkban legelterjedtebb napelemek esetében 60 darab sorba kötött cella alkot egy modult, így ezek feszültsége összeadódik, a teljes modul üresjárási feszültsége (kb. 39 V) hatvanszorosa az egyes cellák üresjárási feszültségének (kb. 0,65 V), az áramuk viszont megegyezik. A következőkben szereplő diagramok már teljes napelem modulokra vonatkoznak.
A sugárzás csökkenésével egyenes arányban csökken a napelemek rövidzárási árama
A fenti ábrán a napelemek sugárzásfüggését láthatjuk. A sugárzás a napelemek rövidzárási áramát egyenes arányban befolyásolja, tehát fele akkora sugárzás esetén közel fele akkora áramra számíthatunk. A sugárzás kisebb mértékben az üresjárási feszültségre is hatással van, a sugárzás csökkenésével a feszültség is csökken, de jelentősebb változást csak alacsony sugárzás esetén figyelhetünk meg.
A cellahőmérséklet növekedésével a napelemek üresjárási feszültsége csökken
A napelemcellák hőmérséklete főként az üresjárási feszültségre van hatással, ami közel lineárisan csökken a hőmérséklet növekedésével. A hőmérséklet növelése a rövidzárási áram növekedését is okozza, a feszültségre gyakorolt hatásnál azonban csak jóval kisebb arányban. A napelemek hatásfokának közismert hőmérsékletfüggése az itt bemutatott feszültségcsökkenésre vezethető vissza.
A jelleggörbék időjárásfüggése alapján meghatározhatjuk például, hogy hogyan változik a napelemek teljesítménye és hatásfoka a környezeti jellemzők függvényében. A jelleggörbék a rendszerek méretezése során is fontosak annak érdekében, hogy biztosítani tudjuk, hogy pl. az inverterre kapcsolt napelemek árama és feszültsége mindig az inverter működési tartományán belül legyen. Olyan, hazánkban kevésbé elterjedt megoldások esetén, ahol a napelemekről közvetlenül (köztes elektronika nélkül) látunk el valamilyen fogyasztót, nem is kerülhetjük meg a karakterisztikák használatát a méretezés során.
