Jak działają panele słoneczne?
Niezależnie od tego, czy jest to kalkulator zasilany energią słoneczną, czy międzynarodowa stacja kosmiczna, panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną przy użyciu tych samych zasad elektroniki, co baterie chemiczne lub standardowe gniazdka elektryczne. W przypadku paneli słonecznych chodzi przede wszystkim o swobodny przepływ elektronów przez obwód.
Aby zrozumieć, w jaki sposób panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną, pomocne może być odbycie krótkiej podróży z powrotem do chemii w szkole średniej. Podstawowym elementem paneli słonecznych jest ten sam element, który pomógł stworzyć rewolucję komputerową - czysty krzem. Gdy krzem jest usuwany ze wszystkich zanieczyszczeń, tworzy idealną neutralną platformę do przesyłania elektronów. Krzem ma również pewne właściwości na poziomie atomowym, dzięki czemu jest jeszcze bardziej atrakcyjny do tworzenia paneli słonecznych.
Atomy krzemu mają miejsce na osiem elektronów w swoich zewnętrznych pasmach, ale mają tylko cztery w stanie naturalnym. Oznacza to, że jest miejsce na cztery kolejne elektrony. Jeśli jeden atom krzemu styka się z innym atomem krzemu, każdy otrzymuje cztery elektrony drugiego atomu. Tworzy to silne wiązanie, ale nie ma ładunku dodatniego ani ujemnego, ponieważ osiem elektronów zaspokaja potrzeby atomów. Atomy krzemu mogą łączyć się przez lata, tworząc duży kawałek czystego krzemu. Materiał ten służy do formowania płyt paneli słonecznych.
Oto gdzie wkracza nauka. Dwie płyty z czystego krzemu nie wytwarzałyby energii elektrycznej w panelach słonecznych, ponieważ nie mają ładunku dodatniego ani ujemnego. Panele słoneczne powstają poprzez połączenie krzemu z innymi elementami, które mają ładunki dodatnie lub ujemne.
Na przykład fosfor ma pięć elektronów, które mogą zaoferować innym atomom. Jeśli krzem i fosfor zostaną połączone chemicznie, powstanie stabilne osiem elektronów z dodatkowym wolnym elektronem do jazdy. Nie może odejść, ponieważ jest związany z innymi atomami fosforu, ale krzem nie jest potrzebny. Dlatego ta nowa płyta krzem / fosfor jest uważana za naładowaną ujemnie.
Aby przepłynąć prąd, należy również utworzyć ładunek dodatni. Osiąga się to w panelach słonecznych poprzez połączenie krzemu z pierwiastkiem takim jak bor, który ma do zaoferowania tylko trzy elektrony. Na płytce krzem / bor nadal pozostało jedno miejsce na inny elektron. Oznacza to, że płyta ma ładunek dodatni. Dwie płyty są umieszczone razem w panelach słonecznych, a między nimi biegną przewody przewodzące.
Po zamontowaniu dwóch płyt nadszedł czas, aby wprowadzić aspekt „słoneczny” paneli słonecznych. Naturalne światło słoneczne wysyła wiele różnych cząstek energii, ale ta, która nas najbardziej interesuje, nazywa się fotonem. Foton zasadniczo działa jak ruchomy młot. Kiedy ujemne płyty ogniw słonecznych są skierowane pod odpowiednim kątem do słońca, fotony bombardują atomy krzemu / fosforu.
W końcu 9. elektron, który i tak chce być wolny, zostaje zrzucony z zewnętrznego pierścienia. Ten elektron nie pozostaje długo wolny, ponieważ dodatnia płytka krzem / bor przyciąga go do otwartego miejsca na swoim własnym zewnętrznym paśmie. Gdy fotony słoneczne odrywają więcej elektronów, wytwarzana jest elektryczność. Energia elektryczna wytwarzana przez jedno ogniwo słoneczne nie jest imponująca, ale gdy wszystkie przewody przewodzące odciągają wolne elektrony od płyt, wystarcza energii elektrycznej do zasilania silników o niskim natężeniu prądu lub innej elektroniki. Cokolwiek elektrony nie zostaną użyte lub utracone w powietrzu, są zwracane na płytkę ujemną i cały proces zaczyna się od nowa.
Jednym z głównych problemów z użyciem paneli słonecznych jest niewielka ilość wytwarzanej energii elektrycznej w porównaniu do ich wielkości. Kalkulator może wymagać tylko jednego ogniwa słonecznego, ale samochód zasilany energią słoneczną wymagałby kilku tysięcy. Jeśli kąt paneli słonecznych zmieni się nawet nieznacznie, sprawność może spaść o 50 procent.
Część energii z paneli słonecznych może być przechowywana w bateriach chemicznych, ale zwykle nie ma zbyt dużej nadwyżki energii. To samo światło słoneczne, które zapewnia fotony, zapewnia również bardziej niszczycielskie fale ultrafioletowe i podczerwone, które ostatecznie powodują fizyczną degradację paneli. Panele muszą być również narażone na niszczące elementy pogodowe, które mogą również poważnie wpłynąć na wydajność.
Wiele źródeł odnosi się również do paneli słonecznych jako ogniw fotowoltaicznych, co odnosi się do znaczenia światła (zdjęć) w wytwarzaniu napięcia elektrycznego. Wyzwaniem dla przyszłych naukowców będzie stworzenie bardziej wydajnych paneli słonecznych, które są wystarczająco małe do praktycznych zastosowań i wystarczająco mocne, aby wytworzyć nadmiar energii w czasach, gdy światło słoneczne nie jest dostępne.