Jak fungují solární panely?
Ať už na solární kalkulačce nebo na mezinárodní vesmírné stanici, solární panely vyrábějí elektřinu pomocí stejných principů elektroniky jako chemické baterie nebo standardní elektrické zásuvky. U solárních panelů jde o volný tok elektronů obvodem.
Abychom pochopili, jak solární panely vyrábějí elektrickou energii, mohlo by to pomoci udělat rychlou cestu zpět do třídy chemie na střední škole. Základním prvkem solárních panelů je stejný prvek, který pomohl vytvořit počítačovou revoluci - čistý křemík. Když je křemík zbaven všech nečistot, vytváří ideální neutrální platformu pro přenos elektronů. Křemík má také některé vlastnosti na atomové úrovni, díky kterým je pro vytváření solárních panelů ještě atraktivnější.
Atomy křemíku mají ve svých vnějších pásmech prostor pro osm elektronů, ale ve svém přirozeném stavu mají pouze čtyři. To znamená, že je zde prostor pro další čtyři elektrony. Pokud se jeden atom křemíku dotkne jiného atomu křemíku, každý obdrží čtyři atomy druhého atomu. To vytváří silnou vazbu, ale neexistuje žádný kladný ani záporný náboj, protože osm elektronů uspokojuje potřeby atomů. Atomy křemíku se mohou roky kombinovat, což vede k velkému kusu čistého křemíku. Tento materiál se používá k vytvoření desek solárních panelů.
Tady je místo, kde věda vstoupí do obrazu. Dvě desky z čistého křemíku by ve solárních panelech nevyráběly elektřinu, protože nemají kladný ani záporný náboj. Solární panely jsou vytvářeny kombinací křemíku s jinými prvky, které mají kladné nebo záporné náboje.
Například fosfor má pět elektronů, které může nabídnout jiným atomům. Pokud se křemík a fosfor kombinují chemicky, výsledkem je stabilních osm elektronů s dalším volným elektronem pro jízdu. Nemůže odejít, protože je vázán na další atomy fosforu, ale křemík ho nepotřebuje. Tato nová deska z křemíku / fosforu se proto považuje za záporně nabitou.
Aby mohla proudit elektřina, musí být také vytvořen kladný náboj. Toho je docíleno na solárních panelech kombinací křemíku s prvkem, jako je bor, který má k dispozici pouze tři elektrony. Deska z křemíku / boru má stále ještě jedno místo pro jiný elektron. To znamená, že deska má kladný náboj. Obě desky jsou vloženy dohromady do solárních panelů a mezi nimi vedou vodivé dráty.
Se dvěma deskami na místě je nyní čas přenést „solární“ aspekt solárních panelů. Přirozené sluneční světlo vysílá mnoho různých částic energie, ale ten, který nás nejvíce zajímá, se nazývá foton. Foton v podstatě funguje jako pohybující se kladivo. Když jsou záporné desky solárních článků namířeny ve správném úhlu ke slunci, fotony bombardují atomy křemíku / fosforu.
Nakonec je devátý elektron, který chce být stejně volný, sražen z vnějšího prstence. Tento elektron nezůstane dlouho volný, protože pozitivní křemík / bórová deska ho vtáhne do volného místa na svém vnějším pásmu. Jak sluneční fotony odlamují více elektronů, vzniká elektřina. Elektřina generovaná jedním solárním článkem není příliš působivá, ale když všechny vodivé dráty odvádějí volné elektrony od desek, je zde dostatek elektřiny k napájení motorů s nízkou intenzitou proudu nebo jiné elektroniky. Jakékoli elektrony, které nejsou použity nebo ztraceny do vzduchu, jsou vráceny na negativní desku a celý proces začíná znovu.
Jedním z hlavních problémů při používání solárních panelů je malé množství elektřiny, kterou generují ve srovnání s jejich velikostí. Kalkulačka může vyžadovat pouze jeden solární článek, ale solární automobil by vyžadoval několik tisíc. Pokud se úhel solárních panelů změní jen nepatrně, může účinnost klesnout o 50 procent.
Určitá energie ze solárních panelů může být uložena v chemických bateriích, ale na prvním místě obvykle není příliš mnoho energie. Stejné sluneční světlo, které poskytuje fotony, také poskytuje destruktivnější ultrafialové a infračervené vlny, které nakonec způsobují fyzickou degradaci panelů. Panely musí být také vystaveny ničivým povětrnostním vlivům, které mohou také vážně ovlivnit účinnost.
Mnoho zdrojů také odkazuje na solární panely jako fotovoltaické články, které odkazují na význam světla (fotografií) při generování elektrického napětí. Výzvou pro budoucí vědce bude vytvoření účinnějších solárních panelů, které jsou dostatečně malé pro praktické aplikace, a dostatečně silné, aby vytvořily přebytečnou energii v době, kdy není k dispozici sluneční světlo.