سلولهای خورشیدی دستگاههای غیرمکانیکی هستند که از نیمهرساناها برای تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته از طریق اثر فتوولتائیک استفاده میکنند. به طور شهودی، مردم ممکن است فکر کنند که سلولهای خورشیدی در زیر نور شدید خورشید رشد میکنند، اما آیا واقعاً اینطور است؟
بشریت مدتهاست که از انرژی خورشیدی استفاده میکند و سه روش اصلی برای تبدیل آن دارد: تبدیل فتوولتائیک، تبدیل فتوترمال و تبدیل فتوشیمیایی. تولید برق فتوولتائیک (PV)، که نور خورشید را به برق تبدیل میکند، یکی از کارآمدترین کاربردهای انرژی خورشیدی است.
اثر فتوولتائیک اولین بار در سال ۱۸۳۹ توسط دانشمند فرانسوی ادموند بکرل مشاهده شد و به تولید پتانسیل الکتریکی هنگام برخورد نور به یک نیمهرسانا اشاره دارد. بعدها، انیشتین این اثر را با استفاده از نظریه کوانتومی نور توضیح داد که جایزه نوبل فیزیک ۱۹۲۱ را برای او به ارمغان آورد.
برخلاف اثر فوتوالکتریک که وقتی نور به یک رسانا برخورد میکند، رخ میدهد، اثر فتوولتائیک در مرز بین دو صفحه نیمههادی اتفاق میافتد. وقتی این دو صفحه توسط یک سیم به هم متصل میشوند، این مرز یک میدان الکتریکی ایجاد میکند و به جریان اجازه عبور میدهد.
بنابراین، سلولهای خورشیدی چگونه نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل میکنند؟ نور خورشید طیف گستردهای از تابش الکترومغناطیسی است. هنگامی که به یک سلول خورشیدی برخورد میکند، تابش میتواند منعکس، جذب یا از آن عبور کند. فقط تابش جذب شده به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.
برای نیمههادیهای مبتنی بر سیلیکون، انرژی ۱.۱۱ الکترون ولت (eV) برای جدا کردن یک الکترون از اتم آن مورد نیاز است. فقط فوتونهایی با انرژی بیشتر از این آستانه میتوانند برق تولید کنند. با این حال، انرژی اضافی از فوتونهای با انرژی بالاتر به صورت گرما از بین میرود و به گرم شدن پنل خورشیدی کمک میکند که میتواند دمای آن را بالاتر از دمای محیط افزایش دهد.
برخلاف تصور رایج، سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون در واقع محیطهای خنکتر را ترجیح میدهند، اگرچه هنوز به نور خورشید نیاز دارند. با افزایش دما، پنلهای خورشیدی با وجود دریافت همان مقدار نور خورشید، انرژی کمتری تولید میکنند.
دمای بالا عمدتاً ولتاژ مدار باز (ولتاژی که هیچ جریانی در آن جریان ندارد) را کاهش میدهد، اگرچه جریان اتصال کوتاه (جریانی که در آن سلول اتصال کوتاه میشود) نسبتاً پایدار میماند. این بدان معناست که دمای بالاتر منجر به کاهش راندمان و کاهش توان خروجی میشود.
سلولهای خورشیدی معمولاً در دمای استاندارد ۲۵ درجه سانتیگراد (۷۷ درجه فارنهایت) آزمایش میشوند. هنگامی که دمای پنل به ۶۰ درجه سانتیگراد (۱۴۰ درجه فارنهایت) یا بالاتر میرسد، توان خروجی آن به طور قابل توجهی کاهش مییابد. به ازای هر درجه افزایش دما، جریان اتصال کوتاه تنها ۰.۰۴٪ افزایش مییابد، در حالی که ولتاژ مدار باز ۰.۴٪ کاهش مییابد.
اگرچه راندمان در تابستان کاهش مییابد، اما فراوانی نور خورشید در این فصل همچنان منجر به تولید کلی انرژی بالاتر در مقایسه با سایر فصول میشود.
چگونه پنلهای خورشیدی را خنک کنیم؟
مانند سایر دستگاههای الکترونیکی، پنلهای خورشیدی در دماهای خنکتر عملکرد بهتری دارند. از آنجایی که آنها برای تأمین انرژی به نور خورشید به جای گرما متکی هستند، در شرایط روشن اما خنک بهترین عملکرد را دارند.
برای خنک کردن پنلهای خورشیدی در طول تابستان، آیا باید سایهبان قرار دهیم؟ البته که نه! مسدود کردن نور خورشید، هدف پنل خورشیدی را خنثی میکند. در مورد استفاده از کرم ضد آفتاب چطور؟ خیر، استفاده از موانع فیزیکی جذب نور را کاهش میدهد و روشهای شیمیایی به کاهش دما کمکی نمیکنند.
برای پنلهای خورشیدی پشت بامی، تهویه طبیعی یک روش مؤثر و اقتصادی برای خنک کردن آنهاست. نصب پنلها با فاصله بین آنها و سقف، امکان گردش هوا و خنک شدن پنلها را فراهم میکند. با این حال، مهم است که برگها و زبالهها را از این فاصله دور نگه دارید تا جریان هوا حفظ شود و از گرمای بیش از حد جلوگیری شود.
محققان همچنین روشهای مختلف خنکسازی را برای بهبود راندمان پنلهای خورشیدی مطالعه کردهاند. علاوه بر تهویه طبیعی، خنکسازی با هوای فشرده و خنکسازی فتوولتائیک-حرارتی (PVT) نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند که بینشهای ارزشمندی در مورد کاهش دمای پنل و افزایش خروجی انرژی ارائه میدهند.
همچنان که سلولهای خورشیدی، فرستادگان انرژی پاک، به ادغام خود در زندگی ما ادامه میدهند، موج تازهای از راهحلهای کمکربن و سازگار با محیط زیست را با خود به ارمغان میآورند.
