Czym jest fotowoltaika? Najprościej mówiąc, jest to odnawialne źródło energii, które przekształca światło w energię elektryczną. Wykorzystuje do tego celu półprzewodniki. Ma również długi cykl życia. Aby lepiej zrozumieć fotowoltaikę, sprawdźmy, czym ona jest i jak działa. W tym artykule wyjaśnimy, jak działają panele słoneczne, jakie są ich rodzaje i dlaczego stają się coraz bardziej popularne. W tym artykule omówimy również zalety i wady tego odnawialnego źródła energii.
Fotowoltaika przekształca światło w energię elektryczną
Pierwotnie znana jako efekt fotoelektryczny, technologia ta jest skutecznym sposobem przekształcania światła w energię elektryczną. Swoją nazwę wywodzi od greckiego słowa „photos” i włoskiego fizyka „volta”. Po raz pierwszy został zaobserwowany w 1839 roku przez naukowca Edmunda Bequerela, który wykorzystał światło słoneczne do wytworzenia małego prądu elektrycznego w platynowej elektrodzie. W 1876 roku naukowcy pracujący nad selenem zaczęli budować półprzewodnikowe urządzenia fotowoltaiczne. William Adams i Richard Day odkryli fotoprąd w selenie, a Charles Fritts przygotował pierwsze ogniwo słoneczne o dużej powierzchni.
Podstawowe ogniwo fotowoltaiczne jest półprzewodnikiem, który przekształca światło bezpośrednio w energię elektryczną. Jest bardzo cienki, mierząc mniej niż 1/100 cala grubości, z szeroką powierzchnią. Ich żywotność może wynosić ponad 25 lat, ale niektóre ogniwa zostały wyprodukowane tak, aby niezawodnie wytwarzały energię elektryczną przez ponad czterdzieści lat. Ta długowieczność wynika z powłok ochronnych, które są nakładane na ogniwa. Moduły fotowoltaiczne są budowane przez układanie pojedynczych ogniw fotowoltaicznych, połączonych równolegle lub szeregowo, w celu produkcji energii elektrycznej.
Ostatnio opracowano nową koncepcję łączącą fotowoltaikę i wysokotemperaturowy wodór. Wykorzystuje ona specjalne tlenki perowskitu z domieszką metalu, które przekształcają światło bezpośrednio w energię elektryczną. Metoda ta nadaje się do elektrowni koncentratorowych. Można ją również wykorzystać do generowania wodoru, ale proces ten jest słabszy niż fotosynteza roślin. Ponadto sprawność fotowoltaiki spada w wysokich temperaturach.
W zależności od użytych materiałów, przechwycona energia zależy od ilości światła, które należy przekształcić. Niektóre materiały absorbują światło tylko o określonej częstotliwości, podczas gdy inne pochłaniają wszystkie długości fali. W urządzeniach wielofunkcyjnych górne ogniwo absorbuje fotony o dużej energii, a pozostałe ogniwa pochłaniają resztę. Wydajność energii słonecznej zależy od przerwy pasmowej materiału. Fotony o niskiej energii są absorbowane przez ogniwa o niższej przerwie pasmowej.
Wykorzystuje półprzewodniki
Półprzewodniki absorbują energię świetlną i przenoszą ją na ujemnie naładowane cząstki, zwane elektronami. Dodatkowa energia pozwala elektronom przepływać przez materiał i być wydobywanym jako prąd elektryczny. Prąd ten jest następnie pobierany przez przewodzące kontakty metalowe w ogniwach słonecznych, generując energię elektryczną, która może zasilać domy lub sieć elektryczną. Proces przekształcania energii świetlnej w elektryczną został opisany bardziej szczegółowo poniżej. Przyjrzyjmy się bliżej każdemu etapowi w prostym wyjaśnieniu.
Proces przekształcania energii słonecznej w elektryczną znany jest jako fotowoltaika. Nazwa pochodzi od greckiego słowa „zdjęcia” i włoskiego fizyka „volta”. Alexandre-Edmond Becquerel odkrył elektryczne efekty promieni słonecznych w 1839 roku i zbudował baterię przy użyciu platynowych elektrod i selenu. Odkrył również światłoczułe właściwości selenu. Inne ważne osoby, które przyczyniły się do rozwoju tej dziedziny to W.G. Adams i R.E. Day. Charles Fritts zbudował pierwsze ogniwo z krzemu i złota w 1883 roku. Jego ogniwo osiągnęło wydajność 1%.
Krzem jest najczęstszym materiałem półprzewodnikowym stosowanym w fotowoltaice i jest podstawowym składnikiem ogniw z krzemu krystalicznego. Krzem jest drugim po tlenie najobficiej występującym materiałem na Ziemi i jest wykorzystywany w chipach komputerowych. Ogniwa krzemowe składają się z atomów krzemu połączonych w siatkę krystaliczną i są bardzo wydajne w przetwarzaniu światła na energię elektryczną. Przerwa pasmowa jest wprost proporcjonalna do ilości energii potrzebnej do wzbudzenia elektronu w półprzewodniku.
Gdy światło słoneczne uderza w ogniwo PV, materiał półprzewodnikowy absorbuje je i powoduje migrację elektronów do powierzchni czołowej. Dzięki temu elektrony mogą przemieszczać się do dodatniego końca ogniwa PV. Gdy energia fotonu jest wystarczająca, atomy zderzą się, uwalniając wolne elektrony i tworząc prąd elektryczny. Proces ten nie wymaga żadnych ruchomych części i jest całkowicie czysty i wydajny. Podczas gdy proces ten generuje energię elektryczną, wymaga również zerowej emisji dwutlenku węgla.
Ma długą żywotność
W Stanach Zjednoczonych średnia żywotność modułu PV wynosi 25 do 30 lat. Panele słoneczne zainstalowane na początku obecnego boomu słonecznego będą bliskie przejścia na emeryturę. Panele słoneczne są wykonane z różnych materiałów, montowane za pomocą klejów i uszczelniaczy, a ich żywotność zależy od materiałów, z których są wykonane i ich instalacji. W związku z tym nieuniknione jest, że więcej paneli słonecznych trafi do strumienia odpadów w ciągu najbliższych kilku dekad.
Choć komponenty fotowoltaiczne mają imponującą żywotność, nacisk na niższe koszty i lekką konstrukcję sprawił, że są bardziej podatne na przedwczesną awarię. Kilku dostawców modułów zdecydowało się na cieńsze szkło tylnej ścianki i ramki, które zmniejszają stabilność mechaniczną paneli. Skrzynki przyłączeniowe są również cieńsze, co może skutkować mniejszą ochroną i mniejszą ilością materiału. Chociaż grubość szkła paneli słonecznych jest znormalizowana, ramy mogą zapewnić nieodpowiednie wsparcie dla profilu modułu, jeśli moduł jest grubszy niż 25 mm.
Jest odnawialnym źródłem energii
Ogniwa słoneczne, znane również jako fotowoltaika, przekształcają światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Są one obecnie stosowane we wszystkim, od paneli słonecznych na domach po kalkulatory. Technologia ta została po raz pierwszy odkryta przez naukowców z Bell Laboratories w 1954 roku. Obecnie jest to jedna z najbardziej zaawansowanych technologii energii odnawialnej, która w przyszłości ma szansę stać się główną częścią światowego systemu wytwarzania energii elektrycznej. Ten artykuł bada korzyści płynące z fotowoltaiki.
Ta forma energii ma kilka korzyści dla środowiska. Panele słoneczne nie emitują toksycznych emisji do atmosfery, w przeciwieństwie do produkcji ropy i gazu, które mogą zubażać ziemię i zanieczyszczać wodę. Biomasa natomiast jest doskonałym, odnawialnym źródłem energii elektrycznej. Drewno, odpady drzewne i inne materiały organiczne mogą być przekształcone w biogaz lub biopaliwa płynne przy użyciu turbin parowych. Fotowoltaiczne źródła energii są również tańsze od energii konwencjonalnych i bardziej przyjazne dla środowiska.
Fotowoltaika jest już szeroko stosowana w statkach kosmicznych. Wiele satelitów posiada szerokie odblaskowe panele słoneczne. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, na przykład, ma dwa skrzydła tablic słonecznych, które zawierają około 33 000 ogniw słonecznych. Ogniwa te zapewniają całość energii elektrycznej stacji. Elektrownie fotowoltaiczne są budowane na całym świecie, a jedne z największych znajdują się w Chinach, Indiach i Stanach Zjednoczonych.
Technologia ogniw słonecznych stale się rozwija. Zaawansowana fotowoltaika może być wykorzystywana do zasilania całego domu, a nawet całego miasta. Center for Sustainable Systems na Uniwersytecie Michigan posiada Photovoltaic Energy Factsheet. Artykuł zawiera przegląd technologii fotowoltaicznej. Informacje zostały również zebrane z kilku stron internetowych, w tym z National Renewable Energy Laboratory i Departamentu Energii.
Fotowoltaika wykorzystuje ogniwa słoneczne wykonane z krzemu i innych materiałów. Rozproszone systemy słoneczne mogą generować energię elektryczną lokalnie i zasilać całe sąsiedztwa, podczas gdy gospodarstwa słoneczne mogą produkować wystarczająco dużo energii elektrycznej dla tysięcy domów. Niektóre pływające farmy słoneczne mogą być również bardzo skuteczne w wykorzystaniu urządzeń ściekowych i zbiorników wodnych bez wzbudzania obaw ekologicznych. W 2017 roku prawie 30 procent nowych mocy wytwórczych zostało wygenerowanych przez systemy fotowoltaiczne. I pomimo stosunkowo niskich kosztów instalacji, technologia ta stała się coraz bardziej przystępna i powszechna.