Zjistěte, jak dnes solární panely napájejí významnou část domácností a jak by mohly v budoucnu napájet téměř vše.
reklama
Podle Mezinárodní agentury pro obnovitelnou energii vyprodukovaly v roce 2022 obnovitelné zdroje energie, včetně sluneční, větrné a vodní, 29 % veškeré elektřiny na celém světě. Jak ale solární panely vyrábějí elektřinu ze světla? Mohou se skutečně stát plnohodnotnou náhradou fosilních paliv? V tomto článku se podíváme na to, jak solární energie funguje a co umí a co ne.
reklama
Jak solární panely vyrábějí elektřinu?
Vědci spočítali, že povrch Země dostává za optimálních podmínek asi kilowatt sluneční energie na metr čtvereční, což znamená „na rovníku, v poledne slunce“. Nejlepší solární panely dokážou téměř polovinu této světelné energie vtlačit do elektřiny.
To se děje následovně: sluneční foton narazí na fotoaktivní vrstvu solárního panelu, který „vyrazí“ elektron ze vzdálené strany panelu. To je možné, protože solární panely využívají k přeměně světla na elektřinu polovodiče.
reklama
Křemík má stejně jako uhlík zpola vyplněný vnější valenční obal. Monokrystalické solární panely využívají vrstvy křemíku dopované různými typy atomů, jako je bór a fosfor, které mají opačný náboj (např. +1/-1). Dopování tímto způsobem transformuje konvenční křemíkovou krystalovou mřížku na polovodiče typu n a typu p. Polovodiče typu N mají pohyblivé elektrony; Polovodiče typu p mají pohyblivé „otvory“. Tím se celý systém změní na elektrický turniket, který nutí elektrony k pohybu pouze jedním směrem.
Mechanismus, kterým fotovoltaický panel přeměňuje světlo na elektřinu.
Když sluneční světlo dopadá na nejvzdálenější vrstvu, atomy absorbují dostatek energie k překlenutí „band gapu“. Poté, aby se systém vrátil do stabilní konfigurace, ztrácí energii ve formě elektronu. Vrstva typu n již má elektrony „navíc“, takže není nakloněno je brát zpět. Místo toho přes elektrodu prochází další náboj.
Výsledkem je elektřina ve formě stejnosměrného proudu. Aby byl stejnosměrný proud užitečný pro zařízení na střídavý proud, musí střídačem procházet.
reklama
Existuje několik základních typů solárních panelů. Snad nejznámější jsou solární články vyrobené z křemíku v alotropních formách, od amorfního křemíku po tuhou krystalovou mřížku. Existují však také solární články na bázi barviv, tenkovrstvé solární články a solární panely vyrobené z jiného typu krystalu zvaného perovskit. Tyto technologie využívají polovodičové materiály k výrobě fotovoltaické energie – elektřiny, která se získává přímo ze slunečního záření.
Krystalický křemík
Většina off-grid solárních panelů, včetně klasických 200W solárních panelů, je vyrobena z krystalického křemíku. Skromná zařízení, jako jsou solární pásová světla a solárně napájené kalkulačky, často také používají krystalické křemíkové solární články. Tento typ solárních článků může generovat solární energii s účinností 15-20 %, což znamená, že vydává 15-20 % energie, kterou dostává ze slunce.
Solární střechy Tesla využívají krystalické křemíkové články.
reklama
Krystalický křemík se často volí jako materiál pro solární články kvůli své odolnosti. Okna kosmických lodí byla vyrobena z čistého taveného krystalického křemíku. Stejně tak panely z krystalického křemíku snesou domácí mazlíčky a počasí než některé tenkovrstvé solární články.
Novější rezidenční solární technologie, jako jsou solární panely a solární střechy Tesla, solární šindele Timberline od GAF, šindele a dlaždice CertainTeed Apollo II a solární šindele Luma Solar, využívají krystalický křemík. Někteří výrobci pokrývají své panely vrstvou tvrzeného skla, aby se zabránilo poškození krupobitím.
Tenkovrstvé solární články
Tenkovrstvé solární články získáte, když místo tuhé krystalické desky impregnované příměsí nanesete fotoaktivní polovodičové molekuly na kousek krystalu nebo proužek pružného polymeru.
Mnoho tenkovrstvých článků používá amorfní křemík, který může absorbovat energii ultrafialového, viditelného a infračerveného světla. Jiní používají polykrystalický křemík nanesený jako tenký film na skle, aby se snížil odraz a lépe zadržovalo světlo.
Vědci v Sandia National Laboratory vyvinuli malé fotovoltaické články o velikosti třpytek, které mají tloušťku pouhých 14–20 mikrometrů (lidský vlas má tloušťku asi 70 mikrometrů), ale stále fungují přibližně se stejnou účinností jako solární zařízení využívající 100 mikrometrů. krát více křemíku.
Tenkovrstvé články využívají méně materiálu než monokrystalické panely, takže mohou mít během svého životního cyklu menší dopad na životní prostředí. Některé tenkovrstvé systémy mohou dosáhnout 47% účinnosti použitím více typů fotoreaktivních materiálů, což je trochu podobné tomu, jak rostliny používají různé fotopigmenty k zachycení světla o různých vlnových délkách. Stejně jako u perovskitů však jejich elektrický výkon v prvních měsících životnosti klesá.
Co je perovskit?
Perovskity jsou minerály zvláštní krystalové struktury. Zatímco dopantové ionty se používají v krystalických křemíkových článcích k usnadnění přenosu elektronů mezi kladnými a zápornými nábojovými vrstvami, anionty a kationty se v krystalové mřížce perovskitu střídají. To znamená, že mohou sloužit jako polovodičové solární články.
Solární články na bázi perovskitu způsobily v poslední době určitý humbuk, protože jsou levné a snadno se vyrábějí. Tento typ buněk může být užitečný v externě napájených vestavěných systémech. Existuje mnoho různých chemických sloučenin perovskitu, z nichž mnohé jsou popsány zde:
Účinnost mnoha typů solárních článků
Perovskity a další zajímavé typy solárních článků jsou zobrazeny červeně.
Ve srovnání s monokrystalickými křemíkovými solárními články mohou některé perovskitové články generovat více elektřiny ze stejného množství sluneční energie. Perovskity jsou však méně odolné; protože jejich chemické složení je nestabilní, dochází během prvních několika let provozu k charakteristickému poklesu výroby energie. Olovo se často používá v nejoblíbenějších perovskitech a těžba a zpracování olova jsou známé jako nebezpečné. Používá se také cín, ale ten je méně účinný.
Fotoreaktivní pigmenty: “umělá fotosyntéza”
Další zajímavou technologií solární energie jsou solární články citlivé na barvivo. Tyto flexibilní články využívají jako vrchní vrstvu fotoreaktivní barvivo smíchané s polovodičovými nanočásticemi. Obvykle tato směs plave na kapalném elektrolytu, který současně působí jako vrstva typu p na krystalovém článku a jeho vlastní elektrodě.
Stejně jako perovskity provádějí tyto flexibilní buňky své reakce v celém objemu a ne podél roviny. To vedlo některé odborníky k tomu, aby barvicí buňky nazývali „umělá fotosyntéza“. Ale perovskity jsou krystaly a stejný tekutý elektrolyt, díky kterému jsou solární články na bázi barviva tak flexibilní, je činí náchylnými k chemické degradaci a teplotním extrémům.
Rozvoj solární energie
V současné době existují dva hlavní způsoby, jak lze solární energii využít k výrobě elektřiny v měřítku vhodném pro využití jako veřejné služby. Pravděpodobně jste viděli standardní solární farmu. Tato zařízení poskytují energii instalací řad solárních panelů na pozemky, které nejsou běžně vhodné pro jiné využití – ačkoli vědci v poslední době zkoumají způsoby, jak využít zastíněnou půdu pod panely k různým účelům, například k ukládání energie ve formě baterií. Jeden zajímavý návrh zahrnuje pěstování nízko rostoucích rostlin milujících stín, jako je káva a kakao.
Solární panely v pravidelném poli s květinami.
Jednoduše řečeno, solární energie funguje pouze tehdy, když je sluneční světlo. To znamená, že energetické banky a diverzifikovaná výroba energie jsou velmi důležité součásti solární výroby v užitkovém měřítku: je důležité ukládat veškerou energii navíc, kterou lze použít, když slunce nesvítí. Tesla kromě svých solárních panelů a solárních dlaždic nabízí záložní baterii zvanou Megapack. Pole desítek nebo stovek těchto baterií jsou již v provozu, což usnadňuje využití solární energie a dalších obnovitelných zdrojů energie.
Dalším způsobem, jak zvýšit využití solární energie, jsou koncentrační solární elektrárny, jako je Ivanpah v Kalifornii. Namísto generování energie prostřednictvím fotovoltaického efektu tyto systémy využívají zrcadla nebo čočky ke koncentraci sluneční energie do (relativně) zaostřeného paprsku namířeného na centrální sběrnou věž. Tam solární energie pohání tepelný stroj nebo parní turbínu, která přeměňuje teplo na elektřinu.
