Cum funcționează panourile solare: o explicație simplă

cum funcționează panourile solare antet Vibe Images / Shutterstock Electricity ne înconjoară. Fie că în rețelele cablurilor de alimentare acoperă fiecare națiune dezvoltată, fie curenții care circulă prin fluxul sanguin uman pentru a menține bătăile inimii, electricitatea ne conduce viața. A alimentat marile progrese ale secolului trecut și foamea de mai mult - și un mijloc mai eficient - de a genera electricitate este în continuă creștere.

Generarea puterii masive care alimentează globul nu este o sarcină mică, mai ales având în vedere că necesită un consum lacom de resurse precum cărbune și gaz. Resursele naturale sunt totuși finite, iar procesele de extragere și utilizare sunt adesea distructive. Pe măsură ce tehnologia avansează și populația globală se umflă, energia curată și regenerabilă va deveni sfântul graal. Căile de cercetare a energiei regenerabile includ metode precum fuziunea la rece, dar pentru moment acestea sunt vise de țeavă. Cu toate acestea, există o mare și teribilă sursă de energie care, dacă nu este nelimitată, va dura probabil miliarde de ani. Sursa despre care vorbim este soarele; inima sistemului solar și cea mai abundentă sursă de energie la îndemâna noastră.

Culturile antice venerau adesea soarele ca zeu, atât pentru aspectul orbitor, cât și pentru capacitatea de a face să crească culturile. În timp ce închinarea lui Aten și Helios s-ar putea să se fi stins, soarele continuă să exercite o influență primordială asupra planetei noastre, fie prin hrănirea creșterii ecosistemelor întregi, fie prin uciderea lor cu secetă. Acum, odată cu evoluțiile recente ale tehnologiei, soarele poate chiar să ne ofere o putere nelimitată în viitor.

Procesul de conversie a luminii în electricitate este cunoscut sub numele de „fotovoltaic”. Cuvântul fotovoltaic derivă din cuvântul grecesc „phos” (lumină) și termenul volt, unitatea de măsură pentru forța electromotivă. Celulele fotovoltaice sunt dispozitive construite pentru a capta lumina soarelui și a o transforma în electricitate utilizabilă. Panourile solare, suprafețele mari care colectează lumina soarelui și o transformă în electricitate, sunt formate din multe celule fotovoltaice care realizează procesul de generare a unei încărcări electrice din lumina soarelui.

Semiconductori: dopaj fără scandal

O celulă solară este fabricată din material semiconductor, cum ar fi siliciu. Semiconductorii se încadrează între conductori și izolatori în ceea ce privește capacitatea lor de trecere a electricității prin aceștia, de unde și numele. Siliciul, deși un conductor relativ slab pe cont propriu, prezintă o structură cristalină care îl face foarte potrivit pentru construirea semiconductoarelor. Deoarece învelișul exterior al unui atom de siliciu este doar pe jumătate plin de electroni, se va lega puternic de alți atomi în timp ce caută să-și umple învelișul.

Pentru a face siliciu mai conductiv, i se pot da „impurități” prin combinarea acestuia cu alte elemente. Acesta este un proces numit „dopaj”, iar siliciu dopat cu impurități permite o mișcare mai liberă a electronilor. Cu un semiconductor de siliciu, există două părți, fiecare dopată cu un material diferit. Primul este dopat cu fosfor, care are cinci atomi în coajă. Când se leagă de siliciu, lasă un atom rămas nelegat. Deoarece acest electron este ținut în poziție doar de nucleu, este nevoie de mai puțină energie pentru a-l desface. Aceasta produce siliciu de tip N (negativ).

Siliciul poate fi, de asemenea, dopat cu bor, care are doar trei electroni în coajă. Aceasta produce siliciu de tip P (pozitiv), care oferă găuri pe care electronii liberi le pot umple apoi.

Când energia lovește siliciul, acesta poate bate electronii suplimentari din partea N și se vor deplasa pentru a umple găurile din partea P. Ulterior, electronii de tipul N și tipul P se reunesc și formează un câmp electric. Celula solară devine o diodă, permițând electronilor să se deplaseze de la P la N, dar nu și invers.

Lumina soarelui lovește siliciul, dezlănțuind electronii liberi din partea N, care apoi se deplasează pentru a umple găurile din partea P. Lumina soarelui lovește siliciul, dezlănțuind electronii liberi din partea N, care apoi se deplasează pentru a umple găurile din partea P.

Desigur, acest proces necesită energie pentru a atinge celula de siliciu. Aici intervine lumina soarelui. Lumina soarelui este formată din fotoni, mici particule de energie care pot lovi celula solară și slăbi electronii de pe partea N. Fluxul liber de electroni de la N la P, creând un curent electric pe măsură ce trec.

Odată ce câmpul electric a fost creat, nu mai rămâne decât să-l folosim. Un invertor de putere este adesea atașat la celula solară - sau mai frecvent un grup de celule denumit modul - și va converti energia electrică din curent continuu (DC) în curent alternativ (AC), făcându-l gata pentru a fi transportat la case sau afaceri.

Ineficiențe și cercetări actuale

În ciuda puterii nelimitate (din toate punctele de vedere) a soarelui, tehnologia de transformare a acestuia în electricitate utilizabilă este încă destul de ineficientă. Nu toată energia soarelui este absorbită de un panou solar. De fapt, cea mai mare parte este pierdută. În general, cele mai bune celule solare vor converti doar 25% din energia pe care o primesc în electricitate. Acest lucru se datorează faptului că lumina soarelui, la fel ca orice lumină, este alcătuită dintr-un spectru de mai multe lungimi de undă diferite, fiecare cu propriul nivel de intensitate. Unele lungimi de undă vor fi prea slabe pentru a elibera electronii. Alte lungimi de undă vor fi prea puternice pentru ca siliciul să poată folosi toată energia lor.

Mai mult, panourile solare necesită amplasare foarte specifică. Unghiul panourilor trebuie să fie corect pentru a prinde cantitatea maximă de lumina soarelui și, așa cum v-ați putea aștepta, panourile vor fi utile numai în zonele cu soare puternic. Vremea inclinată poate transforma o serie de panouri într-o instalație de artă foarte costisitoare și nu cu totul interesantă.

Cercetările privind panourile solare mai eficiente sunt în curs de desfășurare. Celulele solare cu film subțire, fabricate din cadmiu, sunt mai subțiri decât celulele de siliciu și absorb mai bine energia solară. În prezent, aceștia sunt mai răi în ceea ce privește transformarea acelei energii în electricitate, totuși, costul redus și dimensiunea convenabilă le fac o cale atractivă pentru cercetări suplimentare.

Cealaltă dezvoltare majoră este „siliciu negru”, care sună ca un MacGuffin dintr-o poveste fantezistă, dar este într-adevăr destul de inofensiv în ciuda numelui nefast. Siliciul negru este pur și simplu siliciu care a fost tratat pentru a avea o suprafață neagră. Acest lucru este important deoarece obiectele negre absorb mai multă lumină. O scurtă actualizare a fizicii: lumina vizibilă este împărțită în diferite lungimi de undă, fiecare fiind privită ca o gamă de culori. Percepem obiectele ca având o anumită culoare, deoarece reflectă acea lungime de undă în timp ce le absorb pe altele. Obiectele negre absorb toate culorile, reflectând niciuna, de aceea apar negre.

Siliciul negru ar putea fi viitorul energiei curate și ar crea, de asemenea, o copertă grozavă a albumului Joy Division Siliciul negru ar putea fi viitorul energiei curate și ar crea, de asemenea, o copertă grozavă a albumului Joy Division. LP3

Siliciul negru are mult potențial de a produce celule solare mai absorbante, în special în zonele în care lumina soarelui este rară sau în care soarele lovește de obicei la un unghi mic. Marele dezavantaj în acest moment este că procesul de creare a siliciuului negru îi conferă o suprafață mai mare, ducând la o creștere a recombinării purtătorului, o întâmplare în care un electron eliberat pur și simplu se recombină cu celula de siliciu, mai degrabă decât să călătorească pentru a se alătura unui alt atom și producând un curent electric.

Deoparte, cercetarea siliciului negru este în curs de desfășurare și, recent, oamenii de știință din Finlanda au reușit să reducă cazurile de recombinare a purtătorilor, crescând astfel conversia energiei la 22,1%. Nu este la fel de bun ca siliciu tipic, dar totuși o îmbunătățire promițătoare.

Postări recente

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