Όταν οι άνθρωποι μιλούν για «ηλιακό», συνήθως αναφέρονται στα φωτοβολταϊκά, τα ηλιακά πάνελ που πιθανότατα έχετε δει να κάθονται σε πολλές στέγες. Αλλά έχετε σκεφτεί ποτέ πώς λειτουργούν πραγματικά για την παραγωγή καθαρού ηλεκτρισμού; Αυτό το άρθρο ρίχνει μια ματιά στο τι είναι ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, από τι είναι κατασκευασμένο, την τεχνολογία πίσω από αυτό, πώς λειτουργεί και πολλά άλλα.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι χρήσης της ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό το άρθρο εστιάζει στην πιο δημοφιλή μέθοδο, την φωτοβολταϊκή τεχνολογία.
Τι είναι τα φωτοβολταϊκά;
Ο όρος “φωτοβολταϊκό” προέρχεται από την ελληνική λέξη “φως” και από το “volt”, τη μονάδα ηλεκτροκινητικής δύναμης, το volt. Το Voltaic είναι επίσης μια λέξη που σχετίζεται με την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από χημική δράση σε μια μπαταρία.
Όσο για το τι είναι τα φωτοβολταϊκά, είναι η άμεση μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια ως αποτέλεσμα μιας αντίδρασης που λαμβάνει χώρα σε ατομικό επίπεδο. Με τη μόχλευση υλικών που παρουσιάζουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, είναι δυνατό να δημιουργηθούν φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα και να τοποθετηθούν σε μεγάλη κλίμακα, δηλαδή σε στέγες κατοικιών ή σε βιομηχανικές φάρμες ηλιακών κυψελών για την παραγωγή καθαρής, ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων σε ένα υλικό όταν αυτό εκτίθεται στο φως. Είναι ένα φυσικό και χημικό φαινόμενο με προέλευση σχεδόν δύο αιώνες πίσω. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο (η παραγωγή τάσης και ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα υλικό κατά την έκθεση στο φως) σχετίζεται στενά, αλλά διαφέρει από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Ηλιακά φωτοβολταϊκά
Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά (συχνά αναφέρονται ως “ηλιακά κύτταρα” ή “ηλιακά πάνελ”) είναι ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας που μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία από τον ήλιο (δηλαδή τη φωτεινή ενέργεια του ήλιου) σε ηλεκτρισμό συνεχούς ρεύματος (DC). Ένα τυπικό ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα θα διαθέτει ηλιακούς συλλέκτες που απορροφούν αυτό το ηλιακό φως και το μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια, παρέχοντας έτσι καθαρή και ανανεώσιμη ενέργεια, ακόμη και όταν ο ήλιος δεν λάμπει.
Από τις αρχές του αιώνα, τα ηλιακά φωτοβολταϊκά πατρα έχουν αναγνωριστεί ως μια πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη ενέργεια και οι εξελίξεις κάθε είδους (επιστημονικές, τεχνολογικές, βιομηχανικές και υλικοτεχνικές) έχουν αυξηθεί, με την παραγωγή να διπλασιάζεται κάθε δύο περίπου χρόνια. Αυτό το καθιστά μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον κόσμο.
Πώς λειτουργεί η φωτοβολταϊκή τεχνολογία
Εν ολίγοις, τα ηλιακά κύτταρα είναι λεπτές γκοφρέτες κρυσταλλικού πυριτίου, το ίδιο στοιχείο που χρησιμοποιείται σχεδόν σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή που υπάρχει σήμερα. Ενώ αυτές οι γκοφρέτες ήταν σχετικά μεγάλες όταν αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά τα φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα, τώρα είναι τόσο μικρά που είναι μόλις τόσο παχιά όσο μια ανθρώπινη τρίχα.
Όταν αυτά τα φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα εκτίθενται σε φωτόνια φωτός, χτυπούν τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα του πυριτίου και χτυπούν τα ηλεκτρόνια και τα χαλαρώνουν. Όταν συμβεί αυτό, αφήνει πίσω του μια κενή, θετικά φορτισμένη «τρύπα» εκεί που ήταν το αρνητικό φορτίο.
Στο μη επεξεργασμένο πυρίτιο, τα ηλεκτρόνια απλώς θα ανασυνδυάζονται με αυτές τις οπές για να παράγουν σπατάλη θερμότητας, ενώ δεν θα παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Για να το παρακάμψετε και να φτιάξετε ένα λειτουργικό ηλιακό κύτταρο, οι γκοφρέτες κρυσταλλικού πυριτίου επεξεργάζονται (εντοπίζονται) με δύο άλλα στοιχεία: το βόριο και τον φώσφορο.
Όταν το βόριο και ο φώσφορος συναντώνται, αλληλεπιδρούν με το πυρίτιο για να δημιουργήσουν ένα ηλεκτροστατικό πεδίο ακριβώς κάτω από την μπροστινή επιφάνεια του στοιχείου. Αυτό το πεδίο παραμένει μόνιμα στην κρυσταλλική δομή. Όχι, όταν τα φωτόνια του ηλιακού φωτός χτυπούν τον κρύσταλλο, τα αρνητικά ηλεκτρόνια και οι θετικές «οπές» διατηρούνται χωριστά από αυτό το ηλεκτροστατικό πεδίο. Αυτό αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να ρέουν στο μπροστινό μέρος της κυψέλης ενώ οι οπές ρέουν προς τα πίσω, δημιουργώντας ένα ρεύμα.
Τα ηλεκτρόνια που ρέουν στο μπροστινό μέρος του κυττάρου συλλέγονται από γραμμές πλέγματος που τυπώνονται στην επιφάνειά του. Στη συνέχεια, το ρεύμα ρέει σε ένα κύκλωμα όπου το δυναμικό τάσης του εκχωρείται ως ηλεκτρική ενέργεια, ενώ τα ηλεκτρόνια ρέουν πίσω στο πίσω άκρο της κυψέλης όπου ανασυνδυάζονται με τις κενές θετικές «οπές» που είχαν μείνει πίσω.
Όσο υπάρχει ηλιακό φως, όσο αδύναμο κι αν είναι, ένα φωτοβολταϊκό ηλιακό στοιχείο δεν θα «ξεμείνει» ποτέ από ηλεκτρόνια.
Τύποι φωτοβολταϊκών τεχνολογιών
Το ηλιακό φωτοβολταϊκό πάνελ είναι το κύριο δομικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Ενώ όλα αυτά τα συστήματα τείνουν να μοιάζουν πολύ, η τεχνολογία φωτοβολταϊκών στην καρδιά αυτών των πάνελ μπορεί να ποικίλλει. Αυτά περιλαμβάνουν:
- Φωτοβολταϊκά πάνελ μονοκρυσταλλικού πυριτίου
- Φωτοβολταϊκά πάνελ πολυκρυσταλλικού πυριτίου
- Φωτοβολταϊκά πάνελ άμορφου («λεπτής μεμβράνης») πυριτίου
Εφαρμογές φωτοβολταϊκών τεχνολογιών
Σήμερα, η ενέργεια που παράγεται από ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα εξυπηρετεί τους ανθρώπους που ζουν σε μερικά από τα πιο απομονωμένα μέρη του κόσμου, καθώς και αυτούς που ζουν σε μεγάλες πόλεις, να αντλούν νερό, να κρατούν τα φώτα αναμμένα, να φορτίζουν μπαταρίες, να τροφοδοτούν το δίκτυο με ηλεκτρισμό και πολλά άλλα. Αυτές είναι μερικές από τις πιο σημαντικές εφαρμογές της τεχνολογίας φωτοβολταϊκών:
- Αυτόνομες εφαρμογές ισχύος
- Ισχύς στο εξωτερικό διάστημα
- Μεταφορά
- Ηλιακά πάρκα
Το μέλλον της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας
Παρά τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι τεχνολογίες φωτοβολταϊκών, είναι σαφές ότι έχει τη δυνατότητα να αλλάξει το παιχνίδι όσον αφορά την επίτευξη των στόχων μας για μηδενικό άνθρακα. Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες, η ταχεία εγκατάσταση ηλιακών φωτοβολταϊκών θα μπορούσε να προσφέρει το 21% των μειώσεων των εκπομπών CO2 έως το 2050 και τα ηλιακά φωτοβολταϊκά θα μπορούσαν να καλύπτουν το ένα τέταρτο των παγκόσμιων αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας έως το 2050, καθιστώντας τη δεύτερη μεγαλύτερη πηγή παραγωγής μετά τον άνεμο. . Ωστόσο, η παγκόσμια χωρητικότητα πρέπει να φτάσει σχεδόν 20 φορές τα σημερινά επίπεδα για να επιτευχθεί αυτό.