Jak działają panele słoneczne?

Niezależnie od tego, czy w kalkulatorach zasilanych energią słoneczną czy międzynarodowej stacji kosmicznej panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną przy użyciu tych samych zasad elektroniki, co baterie chemiczne lub standardowe gniazda elektryczne. W przypadku paneli słonecznych chodzi o swobodny przepływ elektronów przez obwód.

Aby zrozumieć, w jaki sposób panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną, może pomóc w szybkiej podróży z powrotem do klasy chemii w szkole średniej. Podstawowym elementem paneli słonecznych jest ten sam element, który pomógł stworzyć rewolucję komputerową - czysty krzem. Kiedy krzem jest pozbawiony wszystkich zanieczyszczeń, stanowi idealną neutralną platformę do transmisji elektronów. Krzem ma również pewne właściwości na poziomie atomowym, które sprawiają, że jest jeszcze bardziej atrakcyjny do tworzenia paneli słonecznych.

Atomy krzemu mają miejsce na osiem elektronów w swoich zewnętrznych pasmach, ale niosą tylko cztery w ich naturalnym stanie. Oznacza to, że jest miejsce na cztery kolejne elektron. Jeśli jeden atom krzemowy kontaktuje się z innym atomem krzemowym, każdy otrzymujeCztery elektrony drugiego atomu. Stwarza to silną wiązanie, ale nie ma ładunku dodatnim ani ujemnego, ponieważ osiem elektronów zaspokaja potrzeby atomów. Atomy silikonowe mogą łączyć się przez lata, aby skutkować dużym kawałkiem czystego krzemu. Materiał ten służy do tworzenia płyt paneli słonecznych.

Oto, gdzie naukę pojawia się na zdjęciu. Dwie płytki czystego krzemu nie wytwarzałyby energii elektrycznej w panelach słonecznych, ponieważ nie mają ładunku dodatniego ani ujemnego. Panele słoneczne są tworzone przez połączenie krzem z innymi elementami, które mają ładunki dodatnie lub ujemne.

Na przykład

Fosfor ma pięć elektronów do zaoferowania innym atomom. Jeśli silikon i fosfor są łączone chemicznie, wynikiem jest stabilne osiem elektronów z dodatkowym bezpłatnym elektronem na przejażdżkę. Nie może odejść, ponieważ jest związany z innymi atomami fosforu, ale nie jest potrzebny krzem. Dlatego ta nowa płyta krzemowa/fosforu jest uważana za ujemnie naładowaną.

Aby przepłynąć energię elektryczną, należy również utworzyć ładunek dodatni. Osiąga się to w panelach słonecznych poprzez połączenie krzemu z elementem takimi jak bor, który ma tylko trzy elektrony do zaoferowania. Silikon/płytka boru wciąż ma jedno miejsce dla innego elektronu. Oznacza to, że płyta ma ładunek dodatni. Dwie płytki są w kanapce w panelach słonecznych, z przewodami przewodzącymi między nimi.

Z dwoma płytami na miejscu nadszedł czas, aby wprowadzić „słoneczny” aspekt paneli słonecznych. Naturalne światło słoneczne wysyła wiele różnych cząstek energii, ale ta, którą najbardziej interesują, nazywa się fotonem. Foton zasadniczo działa jak ruchomy młot. Gdy ujemne płytki ogniw słonecznych są skierowane pod właściwym kątem słońca, fotony bombardują atomy krzemu/fosforu.

Ostatecznie 9. elektron, który i tak chce być wolny, zostaje powalonyPierścień zewnętrzny. Ten elektron nie pozostaje wolny na długo, ponieważ dodatnia płyta krzem/bor wciąga go w otwarte miejsce na własnym zewnętrznym pasku. Gdy fotony słoneczne odrywają więcej elektronów, wytwarzana jest energia elektryczna. Energia elektryczna wytwarzana przez jedno ogniwo słoneczne nie jest zbyt imponujące, ale gdy wszystkie przewody przewodzące odciągają wolne elektrony z płyt, istnieje wystarczająca ilość energii elektrycznej, aby zasilać silniki o niskim natężeniu napędu lub inną elektronikę. Niezależnie od elektronów nie są używane ani utracone w powietrzu, zwracane jest na płytkę ujemną, a cały proces zaczyna się od nowa.

Jednym z głównych problemów związanych z używaniem paneli słonecznych jest niewielka ilość energii elektrycznej, którą wytwarzają w porównaniu z ich rozmiarem. Kalkulator może wymagać tylko jednego ogniwa słonecznego, ale samochód zasilany energią słoneczną wymagałby kilku tysięcy. Jeśli kąt paneli słonecznych zmieni się nawet nieznacznie, wydajność może spaść o 50 procent.

Niektóre mocy z paneli słonecznych można przechowywać w bateriach chemicznych, ale tam tamZazwyczaj nie jest to przede wszystkim zbyt nadwyżka mocy. To samo światło słoneczne, które zapewnia fotony, zapewnia również bardziej niszczycielskie fale ultrafioletowe i podczerwieni, które ostatecznie powodują fizyczne degradację paneli. Panele muszą być również narażone na niszczycielskie elementy pogodowe, które mogą również poważnie wpłynąć na wydajność.

Wiele źródeł określa również panele słoneczne jako komórki fotowoltaiczne, które odnosi się do znaczenia światła (zdjęć) w generowaniu napięcia elektrycznego. Wyzwaniem dla przyszłych naukowców będzie stworzenie bardziej wydajnych paneli słonecznych, które są wystarczająco małe do praktycznych zastosowań i wystarczająco mocne, aby stworzyć nadmiar energii w czasach, gdy światło słoneczne nie jest dostępne.