Solarne ćelije su nemehanički uređaji koji koriste poluvodiče za izravno pretvaranje sunčeve svjetlosti u električnu energiju putem fotonaponskog efekta. Intuitivno, ljudi bi mogli pomisliti da solarne ćelije uspijevaju pod intenzivnom sunčevom svjetlošću, ali je li to doista slučaj?
Čovječanstvo već dugo koristi sunčevu energiju, s tri glavna načina pretvorbe: fotonaponskom pretvorbom, fototermalnom pretvorbom i fotokemijskom pretvorbom. Fotonaponska (FN) proizvodnja energije, koja pretvara sunčevu svjetlost u električnu energiju, jedna je od najučinkovitijih upotreba sunčeve energije.
Fotonaponski efekt prvi je put uočio francuski znanstvenik Edmond Becquerel 1839. godine, a odnosi se na stvaranje električnog potencijala kada svjetlost pogodi poluvodič. Kasnije je Einstein objasnio taj efekt koristeći kvantnu teoriju svjetlosti, koja mu je donijela Nobelovu nagradu za fiziku 1921. godine.
Za razliku od fotoelektričnog efekta, koji se javlja kada svjetlost padne na jedan vodič, fotonaponski efekt se događa na granici između dvije poluvodičke ploče. Kada su spojene žicom, ta granica stvara električno polje, omogućujući protok struje.
Dakle, kako solarne ćelije pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju? Sunčeva svjetlost je širok spektar elektromagnetskog zračenja. Kada udari u solarnu ćeliju, zračenje se može reflektirati, apsorbirati ili propustiti. Samo apsorbirano zračenje se pretvara u električnu energiju.
Za poluvodiče na bazi silicija potrebna je energija od 1,11 elektron volta (eV) da bi se elektron oslobodio iz svog atoma. Samo fotoni s energijom većom od ovog praga mogu generirati električnu energiju. Međutim, višak energije fotona veće energije gubi se kao toplina, što doprinosi zagrijavanju solarnog panela, što može povisiti njegovu temperaturu iznad temperature okolnog zraka.
Suprotno uvriježenom mišljenju, solarne ćelije na bazi silicija zapravo preferiraju hladnija okruženja, iako im je i dalje potrebna sunčeva svjetlost. Kako temperature rastu, solarni paneli proizvode manje energije, unatoč tome što primaju istu količinu sunčeve svjetlosti.
Visoke temperature uglavnom smanjuju napon otvorenog kruga (napon kada ne teče struja), iako struja kratkog spoja (struja kada je ćelija kratko spojena) ostaje relativno stabilna. To znači da više temperature dovode do niže učinkovitosti i smanjene izlazne snage.
Solarne ćelije se obično testiraju na standardnoj temperaturi od 25°C (77°F). Kada temperatura panela dosegne 60°C (140°F) ili više, njegova izlazna snaga značajno pada. Za svaki stupanj povećanja temperature, struja kratkog spoja povećava se za samo 0,04%, dok se napon otvorenog kruga smanjuje za 0,4%.
Iako učinkovitost pada ljeti, obilje sunčeve svjetlosti tijekom ove sezone i dalje rezultira većom ukupnom proizvodnjom energije u usporedbi s drugim godišnjim dobima.
Kako ohladiti solarne panele
Kao i drugi elektronički uređaji, solarni paneli bolje funkcioniraju na nižim temperaturama. Budući da se oslanjaju na sunčevu svjetlost, a ne na toplinu, najbolje funkcioniraju u svijetlim, ali hladnim uvjetima.
Trebamo li postaviti hlad kako bismo rashladili solarne panele tijekom ljeta? Naravno da ne! Blokiranje sunčeve svjetlosti poništilo bi svrhu solarnog panela. Što je s nanošenjem kreme za sunčanje? Ne, nanošenje fizičkih barijera smanjilo bi apsorpciju svjetlosti, a kemijske metode ne bi pomogle u snižavanju temperature.
Za krovne solarne panele, prirodna ventilacija je učinkovit i ekonomičan način hlađenja. Postavljanje panela s razmakom između njih i krova omogućuje cirkulaciju zraka i hlađenje panela. Međutim, važno je držati lišće i krhotine podalje od razmaka kako bi se održao protok zraka i spriječilo pregrijavanje.
Istraživači su također proučavali različite metode hlađenja kako bi poboljšali učinkovitost solarnih panela. Uz prirodnu ventilaciju, istraženo je prisilno hlađenje zrakom i fotonaponsko-termalno hlađenje (PVT), što nudi vrijedne uvide u snižavanje temperature panela i povećanje proizvodnje energije.
Kako solarne ćelije, glasnici čiste energije, nastavljaju ulaziti u naše živote, one sa sobom donose novi val niskougljičnih, ekološki prihvatljivih rješenja.
