Ako fungujú solárne panely: Jednoduché vysvetlenie

ako fungujú solárne panely Vibe Images / Shutterstock Elektrická energia nás obklopuje. Či už v sieťach silových káblov pokrývajúcich každý rozvinutý národ, alebo v prúdoch prúdiacich ľudskou krvou, aby srdce bilo, elektrina poháňa naše životy. Podnietil obrovský pokrok minulého storočia a čoraz viac rastie dopyt po ďalších - a efektívnejších - spôsoboch výroby elektriny.

Vytvorenie obrovského príkonu, ktorý poháňa planétu, nie je nijakou malou úlohou, najmä ak si to vyžaduje žravú spotrebu zdrojov, ako je uhlie a plyn. Prírodné zdroje sú však obmedzené a procesy ich ťažby a využívania sú často deštruktívne. S postupujúcim technologickým pokrokom a s pribúdajúcou globálnou populáciou sa z čistej a obnoviteľnej energie stane svätý grál. Medzi cesty výskumu v oblasti obnoviteľnej energie patria metódy, ako je fúzia za studena, ale zatiaľ sú to iba potrubné sny. Existuje však veľký a hrozný zdroj energie, ktorý, ak nie je neobmedzený, pravdepodobne vydrží miliardy rokov. Zdroj, o ktorom hovoríme, je slnko; srdce slnečnej sústavy a najbohatší zdroj energie v našom dosahu.

Staroveké kultúry si často uctievali slnko ako boha, a to jednak pre jeho oslepujúci vzhľad, jednak pre schopnosť pestovať plodiny. Aj keď uctievanie Atona a Heliosa mohlo vymrieť, slnko naďalej ovplyvňuje našu planétu primárny vplyv, či už tým, že vyživuje rast celých ekosystémov, alebo ich zabíja suchom. Teraz, s najnovším vývojom v oblasti technológií, nám môže slnko do budúcnosti dokonca poskytovať neobmedzenú energiu.

Proces premeny svetla na elektrinu je známy ako „fotovoltaika“. Slovo fotovoltaika pochádza z gréckeho slova „phos“ (svetlo) a z termínu volt, jednotka merania elektromotorickej sily. Fotovoltaické články sú zariadenia skonštruované na zachytávanie slnečného žiarenia a jeho premenu na využiteľnú elektrinu. Solárne panely, veľké povrchy, ktoré zhromažďujú slnečné svetlo a premieňajú ho na elektrinu, sú vyrobené z mnohých fotovoltaických článkov, ktoré vytvárajú proces generovania elektrického náboja zo slnečného žiarenia.

Polovodiče: doping bez škandálov

Solárny článok je vyrobený z polovodičového materiálu, napríklad z kremíka. Polovodiče spadajú medzi vodiče a izolátory, pokiaľ ide o ich kapacitu prechodu elektriny cez ne, odtiaľ pochádza aj názov. Kremík, hoci je sám o sebe pomerne zlým vodičom, chrlí kryštalickú štruktúru, vďaka ktorej je vhodný na výrobu polovodičov. Pretože vonkajší obal atómu kremíka je len z polovice plný elektrónov, bude sa silno viazať s inými atómami, keď sa bude snažiť svoj obal naplniť.

Aby bol kremík vodivejší, môžu sa mu dať „nečistoty“ kombináciou s inými prvkami. Toto je proces nazývaný „doping“ a kremík dotovaný nečistotami umožňuje voľnejší pohyb elektrónov. S kremíkovým polovodičom sú dve časti, každá dotovaná iným materiálom. Prvý je dotovaný fosforom, ktorý má vo svojej schránke päť atómov. Keď sa spojí s kremíkom, ponechá jeden atóm neviazaný. Pretože tento elektrón je držaný na svojom mieste iba jadrom, jeho uvoľnenie vyžaduje menej energie. Takto sa vytvorí (negatívny) kremík typu N.

Kremík je možné dotovať aj bórom, ktorý má v plášti iba tri elektróny. Tak sa vytvorí pozitívny kremík typu P, ktorý ponúka otvory, ktoré potom môžu voľné elektróny vyplniť.

Keď energia zasiahne kremík, môže zraziť ďalšie elektróny na strane N voľne a budú sa pohybovať, aby vyplnili otvory na strane P. Potom sa elektróny typu N a typu P spoja a vytvoria elektrické pole. Solárny článok sa stáva diódou, ktorá umožňuje elektrónom pohybovať sa z P na N, ale nie opačne.

Slnečné svetlo dopadá na kremík a uvoľňuje voľné elektróny na strane N, ktoré sa potom pohybujú a zapĺňajú otvory na strane P. Slnečné svetlo dopadá na kremík a uvoľňuje voľné elektróny na strane N, ktoré sa potom pohybujú a zapĺňajú otvory na strane P.

Tento proces samozrejme vyžaduje energiu, aby zasiahol kremíkový článok. To je miesto, kde prichádza slnečné svetlo. Slnečné svetlo je tvorené fotónmi, malými časticami energie, ktoré môžu zasiahnuť solárny článok a uvoľniť elektróny na strane N. Tok voľných elektrónov z N na P vytvára pri prechode elektrický prúd.

Po vytvorení elektrického poľa zostáva iba jeho použitie. K solárnemu článku je často pripojený energetický invertor - alebo obyčajnejšie zhluk článkov označovaný ako modul -, ktorý premení elektrinu z jednosmerného prúdu na striedavý prúd, čím je pripravený na prepravu do domácností alebo podniky.

Neefektívnosť a súčasný výskum

Aj napriek (pre všetky účely a účely) neobmedzenej sile slnka je technológia jej premeny na využiteľnú elektrinu stále dosť neefektívna. Nie všetka energia slnečného žiarenia je absorbovaná solárnym panelom. V skutočnosti je väčšina z toho stratená. Najlepšie solárne články všeobecne prevedú iba 25 percent prijatej energie na elektrinu. Je to tak preto, lebo slnečné svetlo, rovnako ako všetko svetlo, pozostáva zo spektra niekoľkých rôznych vlnových dĺžok, z ktorých každá má svoju vlastnú úroveň intenzity. Niektoré vlnové dĺžky budú príliš slabé na to, aby uvoľnili elektróny. Ostatné vlnové dĺžky budú príliš silné na to, aby kremík mohol využívať svoju celú energiu.

Solárne panely navyše vyžadujú veľmi konkrétne umiestnenie. Uhol panelov musí byť správny, aby zachytil maximálne množstvo slnečného žiarenia, a ako možno čakáte, panely budú užitočné iba v oblastiach so silným slnečným žiarením. Nepriaznivé počasie môže zmeniť rad panelov na veľmi nákladnú a nie celkom zaujímavú umeleckú inštaláciu.

Pokračuje výskum účinnejších solárnych panelov. Tenkovrstvové solárne články vyrobené z kadmia sú tenšie ako kremíkové články a lepšie absorbujú slnečnú energiu. Momentálne sú na tom s premenou tejto energie na elektrinu tiež horšie, hoci ich nízke náklady a vhodná veľkosť z nich robia atraktívnu cestu pre ďalší výskum.

Ďalším významným vývojom je „čierny kremík“, ktorý znie ako MacGuffin z fantasy príbehu, ale napriek zlovestnému názvu je skutočne dosť neškodný. Čierny kremík je jednoducho kremík, ktorý bol upravený tak, aby mal čierny povrch. To je dôležité, pretože čierne predmety absorbujú viac svetla. Krátke osvieženie fyziky: viditeľné svetlo je rozdelené na rôzne vlnové dĺžky, z ktorých každá je vnímaná ako farebná škála. Vnímame objekty, ktoré majú určitú farbu, pretože odrážajú danú vlnovú dĺžku, zatiaľ čo absorbujú ostatné. Čierne objekty pohlcujú všetky farby a nijaké neodrážajú, preto vyzerajú ako čierne.

Čierny kremík by mohol byť budúcnosťou čistej energie a bol by tiež skvelým obalom albumu Joy Division Čierny kremík by mohol byť budúcnosťou čistej energie a bol by tiež skvelým obalom albumu Joy Division. LP3

Čierny kremík má veľký potenciál na zvýšenie absorpcie solárnych článkov, najmä v oblastiach, kde je slnečné svetlo riedke alebo kde slnko zvyčajne dopadá pod malým uhlom. Veľkou nevýhodou v súčasnosti je, že proces vytvárania čierneho kremíka mu dodáva väčšiu plochu, čo vedie k zvýšeniu rekombinácie nosiča, čo je jav, keď sa uvoľnený elektrón jednoducho rekombinuje s kremíkovým článkom, a nie cestou spojenia s iným atómom a vyrábajúci elektrický prúd.

Pokiaľ ide o nedostatky, výskum čierneho kremíka stále pokračuje a nedávno sa vedcom vo Fínsku podarilo znížiť počet prípadov rekombinácie nosiča, čím sa zvýšila premena energie na 22,1 percenta. Nie je to také dobré ako typický kremík, ale napriek tomu sľubné zlepšenie.

Posledné príspevky

$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found