با وجود داشتن یک منبع عظیم انرژی در آسمان، که انرژی پاک را بدون توقف در اختیار ما قرار می‌دهد، چرا ما زمان خود را در حفاری‌های عمیق زمین جهت دسترسی به منابع نفتی و منابع ذغال سنگ به هدر می‌دهیم؟ خورشید یک گوی جوشان از انرژی هسته‌ای است که به جهت مصرف در مدت 5 میلیارد سال آینده نیز سوخت، در درون خود ذخیره دارد. سلول خورشیدی ابزاری است که با تبدیل کردن این انرژی به انرژی الکتریکی مناسب برای مصرف، آن را در اختیار ما قرار می‌دهد.
انرژی خورشیدی در نگاه اول ممکن است یک انرژی مربوط به آینده و کمی ناشناس به نظر برسد. اما این انرژی مدت زیادی است که در زندگی روزمره جای خود را باز کرده است. شما ممکن است یک ساعت با قابلیت شارژ خورشیدی در دست، یا یک ماشین حساب خورشیدی در کیف خود داشته باشید. مردم بسیاری از لامپ های روشنایی متصل به صفحات خورشیدی در حیاط و باغچه خود استفاده می‌کنند.
سفینه‌های فضایی و ماهواره‌ها نیز به منظور تامین انرژی خود از صفحات خورشیدی استفاده می‌کنند. از طرفی به دلیل خطرات و تهدیدات گرمایش جهانی بر محیط زیست، بدون شک استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یکی از منابع انرژی تجدید پذیر، در آینده بسیار بیشتر مطرح خواهد بود. با این وجود، صفحات خورشیدی دقیقاً چگونه کار می‌کنند؟
تصویر: هواپیمای خورشیدی Pathfinder ساخت ناسا است و انرژی مورد نیاز موتور های آن توسط صفحات خورشیدی نصب شده در سطح بالایی بال آن تولید می‌شود.
مقدار انرژی قابل دریافت از خورشید چقدر است؟
تصویر: مقدار انرژی که از طرف خورشید به ما می‌رسد در زمان طلوع و غروب خورشید کمترین مقدار و در میانه روز بیشترین مقدار خود را دارد.
انرژی خورشیدی شگفت انگیز است. به صورت میانگین، هر متر مربع از سطح زمین 164 وات انرژی از خورشید دریافت می‌کند. به عبارت دیگر با قراردادن یک لامپ قوی (150 وات) در هر متر مربع از سطح زمین، می توان کل سیاره را با استفاده از انرژی دریافتی از خورشید روشنایی بخشید. یا به عنوان مثال دیگر، اگر تنها یک درصد از مساحت صحرای بزرگ آفریقا به پنل‌های خورشیدی مجهز شود، می‌تواند انرژی برق مورد نیاز سیاره زمین را تامین کند. در واقع عظمت این منبع انرژی به میزانی زیاد است که ما شاید هیچ وقت نتوانیم از تمامی آن استفاده کنیم.
اما نقات ضعفی نیز وجود دارد. انرژی که خورشید از خود ساطع می کند در قالب ترکیبی از نور و حرارت به زمین می‌رسد. هر دو نوع این انرژی برای ما بسیار مهم است. نور خورشید منجر به رشد و نمو در سیاره ما می‌شود و غذای مورد نیاز ما را فراهم می‌کند. انرژی حرارتی خورشید نیز ما را به مقداری که جهت ادامه حیات نیاز داریم گرم می‌کند. اما ما به صورت مستقیم نمی‌توانیم این انرژی نورانی و حرارت را جهت روشن کردن تلویزیون یا راه اندازی اتومبیل خود استفاده کنیم. ما بایستی راه هایی را بیابیم که بتوانیم انرژی خورشیدی را به انواع دیگر انرژی مانند انرژی الکتریکی، که برای استفاده راحت تر هستند، تبدیل نماییم. و این دقیقا همان کاری است که سلول های خورشیدی انجام می‌دهند.
همچنین بخوانید: آموزش جامع Etap 16
سلول خورشیدی چیست؟
سلول خورشیدی یک قطعه الکترونیکی است که نور خورشید را دریافت می‌کند و آن را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اندازه آن تقریبا به ابعاد کف دست یک انسان بالغ است. شبیه یک شکل هشت ضلعی و به رنگ مشکی مایل به آبی است. سلول‌های خورشیدی عمدتاً به یکدیگر متصل می‌شوند و واحد های بزرگتری را تحت عنوان ماژول‌های خورشیدی می‌سازند. با کنار هم قرار دادن تعدادی ماژول نیز صفحات خورشیدی ساخته می‌شوند.
تصویر: سقف یک ساختمان که به 16 عدد صفحه خورشیدی مجهز شده است. هرکدام از این صفحات از یک شبکه 60 = 10*6 عددی از سلول‌های خورشیدی کوچک تشکیل شده است. در یک روز معمولی احتمالا توانایی تولید 4کیلووات برق را خواهد داشت.
درست مانند سلول‌های یک باتری، سلول‌ها در صفحات خورشیدی به منظور تولید انرژی الکتریکی طراحی شده‌اند. با این تفاوت که در باتری، سلول‌ها انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند اما در صفحات خورشیدی تولید انرژی الکتریکی با جذب نور خورشید انجام می‌شود. این سلول‌ها با نام سلول‌های فتوولتائیک نیز شناخته می‌شوند. فوتو یک لغت یونانی به معنی نور است و ولتائیک از نام آلساندرو ولتا یکی از دانشمندان ایتالیایی پیشتاز در زمینه الکتریسیته گرفته شده است.
فوتون ها و جریان الکتریسیته
می‌توان اینگونه تصور کرد که نور از ذرات ریزی به نام فوتون تشکیل شده است. بر این اساس یک باریکه نور خورشید مانند یک لوله زرد رنگ درخشان است که میلیاردها میلیارد فوتون را به طرف ما پرتاب می‌کند. یک سلول خورشیدی در مسیر این فوتون‌های پرانرژی قرار می‌گیرد و انرژی آن‌ها را به جریانی از الکترون‌ها – یا به عبارت دیگر جریان الکتریکی تبدیل می‌کند.
هر سلول مجزا مقدار کمی ولتاژ الکتریکی تولید می‌کند. لذا وظیفه پنل‌های خورشیدی جمع آوری انرژی تولید شده از سلول‌های مختلف و ایجاد یک مقدار قابل استفاده از جریان و ولتاژ الکتریکی است. به صورت تقریبی تمامی سلول‌های خورشیدی امروزه از قطعات سیلیکونی (یکی از موادی که به صورت فراوان در سنگ‌های پوسته زمین یافت می‌شود) ساخته می‌شوند. اگرچه مواد گوناگون دیگری نیز قابل استفاده هستند. با برخورد نور خورشید به سطح سلول‌های خورشیدی، انرژی نور خورشید الکترون‌های سیلیکون را آزاد می‌کند. حرکت این الکترون‌ها در قالب یک مدار الکتریکی، جریان الکتریسیته مورد نیاز جهت راه اندازی هر وسیله الکتریکی را در اختیار قرار می‌دهد. این یک توضیح بسیار ساده شده از نحوه عملکرد سلول‌ها است.
همچنین ببینید: آموزش کاربردی eplan
سلول‌های خورشیدی چگونه ساخته می‌شوند؟
سیلیکون همان ماده ای است که ترانزیستورهای مورد استفاده در پردازنده‌های الکترونیکی از آن ساخته می‌شوند. نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی نیز بسیار شبیه آین ترانزیستورها است. سیلیکون نوعی از ماده است که تحت عنوان نیمه رسانا شناخته می‌شود. برخی از مواد مانند فلزات به الکتریسیته اجازه می‌دهند که به راحتی از آن‌ها عبور کند که به آن‌ها مواد رسانا گفته می‌شود. برخی مواد دیگر مانند پلاستیک و چوب به الکتریسیته اجازه عبور نمی‌دهند و با عنوان مواد عایق شناخته می‌شوند. مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون را نه می‌توان رسانا و نه عایق نامید. آن‌ها در شرایط عادی الکتریسیته را از خود عبور نمی‌دهند، اما با ایجاد شرایط مشخصی می‌توان این کار را انجام داد.
تصویر: یک سلول خورشیدی منفرد
یک سلول خورشیدی از دولایه مجزا و متفاوت سیلیکون با یک متد منحصر به فرد ساخته شده است. لذا در یک مسیر مشخص به جریان الکتریکی اجازه عبور می‌دهد. ساختار لایه پایینی به گونه‌ای است که تعداد الکترون کمتری دارد. این لایه نوع-پی یا نوع-مثبت نامیده می‌شود (زیرا الکترون‌ها دارای بار منفی هستند و تعداد آن ها در این لایه بسیار پایین است). درمقابل لایه بالایی به گونه ای ساخته شده است که تعداد الکترون کمتری داشته باشد و با عنوان نوع-ان یا نوع-منفی شناخته می شود.
وقتی یک لایه از سیلیکون نوع-ان روی یک لایه از نوع-پی قرار می‌گیرد، یک مرز در محل اتصال آن ها ایجاد می‌شود (این مرز ناحیه مهمی است که دو نوع مختلف سیلیکون به یکدیگر می‌رسند). با وجود اختلاف تعداد الکترون‌ها در دو لایه، در حالت عادی هیچ الکترونی نمی‌تواند از این مرز عبور کند. حتی اگر ما این ترکیب سیلیکونی را به یک لامپ روشنایی وصل کنیم، لامپ روشن نخواهد شد. با این وجود اگر نور به این ترکیب سیلیکونی تابیده شود، یک اتفاق خارق العاده رخ خواهد داد.
می توان نور را در قالب یک جریان از “ذرات پرانرژی” فوتون درنظر گرفت. زمانی که فوتون‌ها وارد ترکیب سیلیکونی می‌شوند، انرژی خود را به اتم‌های سیلیکون می‌دهند. این انرژی الکترون‌ها را به بیرون از لایه پرتاب می‌کند. در ادامه الکترون‌ها از لایه نوع-پی و در طول مرز بین دو لایه به سمت لایه نوع-ان پرش می‌کنند و در طول مدار الکتریکی جریان می‌یابند. هرچه نور بیشتری بتابد، الکترون‌های بیشتری پرش می‌کنند و جریان الکتریکی بیشتری برقرار می‌شود. این پدیده‌ی علمی تحت عنوان اثر فوتوولتائیک شناخته می شود.
سلول‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟
یک سلول خورشیدی از دولایه متفاوت سیلیکونی با عنوان نوع-ان (آبی) و نوع-پی (قرمز) ساخته شده است. این سلول از انرژی نور خورشید به منظور حرکت دادن الکترون‌ها در طول مرز بین دو لایه‌ی خود و ایجاد جریان الکتریکی استفاده می‌کند:
- وقتی نور خورشید به سطح سلول می‌تابد، فوتون‌ها (ذرات نور) سطح بالایی سلول را بمباران می‌کنند.
- فوتون‌ها (گلوله‌های زرد رنگ) انرژی را با خود به درون سلول می‌برند.
- فوتون‌ها انرژی خود را به الکترون‌ها (گلوله‌های سبز رنگ) در لایه پایینی، لایه نوع-پی می‌دهند.
- الکترون‌ها به واسطه انرژی که دریافت کرده‌اند در طول مرز بین دو لایه به سمت لایه بالایی، لایه نوع-ان پرتاب می‌شوند و از آنجا به طرف مدار الکتریکی فرار می‌کنند.
- با عبور از مدار الکتریکی، الکترون‌ها لامپ را روشن می‌کنند.
هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.