תאים סולאריים הם התקנים לא מכניים המשתמשים במוליכים למחצה כדי להמיר ישירות אור שמש לחשמל באמצעות אפקט פוטו-וולטאי. באופן אינטואיטיבי, אנשים עשויים לחשוב שתאים סולאריים משגשגים תחת אור שמש חזק, אבל האם זה באמת המצב?
האנושות משתמשת זה מכבר באנרגיה סולארית, ויש לה שלוש דרכים עיקריות להמיר אותה: המרה פוטו-וולטאית, המרה פוטותרמית והמרה פוטוכימית. ייצור חשמל פוטו-וולטאי (PV), הממיר אור שמש לחשמל, הוא אחד השימושים היעילים ביותר באנרגיה סולארית.
האפקט הפוטו-וולטאי נצפה לראשונה בשנת 1839 על ידי המדען הצרפתי אדמונד בקרל, והוא מתייחס ליצירת פוטנציאל חשמלי כאשר אור פוגע במוליך למחצה. מאוחר יותר, איינשטיין הסביר אפקט זה באמצעות תורת הקוונטים של האור, שזיכתה אותו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1921.
בניגוד לאפקט הפוטואלקטרי, המתרחש כאשר אור פוגע במוליך יחיד, האפקט הפוטו-וולטאי מתרחש בגבול בין שני לוחות מוליכים למחצה. כאשר הם מחוברים באמצעות חוט, גבול זה יוצר שדה חשמלי, המאפשר לזרם לזרום.
אז איך תאים סולאריים הופכים את אור השמש לחשמל? אור השמש הוא ספקטרום רחב של קרינה אלקטרומגנטית. כאשר הוא פוגע בתא סולארי, הקרינה יכולה להשתקף, להיספג או לעבור דרכה. רק קרינה שנספגה מומרת לאנרגיה חשמלית.
עבור מוליכים למחצה מבוססי סיליקון, נדרשת אנרגיה של 1.11 אלקטרונים וולט (eV) כדי לשחרר אלקטרון מהאטום שלו. רק פוטונים בעלי אנרגיה גדולה מסף זה יכולים לייצר חשמל. עם זאת, אנרגיה עודפת מפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר אובדת כחום, מה שתורם לחימום הפאנל הסולארי, מה שיכול להעלות את הטמפרטורה שלו מעל לטמפרטורת האוויר הסובב.
בניגוד לאמונה הרווחת, תאי שמש מבוססי סיליקון מעדיפים למעשה סביבות קרירות יותר, למרות שהם עדיין זקוקים לאור שמש. ככל שהטמפרטורות עולות, פאנלים סולאריים מייצרים פחות אנרגיה, למרות שהם מקבלים את אותה כמות אור שמש.
טמפרטורות גבוהות מפחיתות בעיקר את מתח המעגל הפתוח (המתח כאשר אין זרם), אם כי זרם הקצר (הזרם כאשר התא מקוצר) נשאר יציב יחסית. משמעות הדבר היא שטמפרטורות גבוהות יותר מובילות ליעילות נמוכה יותר ולהספק יציאה מופחת.
תאים סולאריים נבדקים בדרך כלל בטמפרטורה סטנדרטית של 25°C (77°F). כאשר טמפרטורת הפאנל מגיעה ל-60°C (140°F) ומעלה, תפוקת ההספק שלו יורדת משמעותית. עם כל מעלה של עלייה בטמפרטורה, זרם הקצר עולה רק ב-0.04%, בעוד שמתח המעגל הפתוח יורד ב-0.4%.
למרות שהיעילות יורדת בקיץ, שפע אור השמש בעונה זו עדיין מביא לייצור אנרגיה כולל גבוה יותר בהשוואה לעונות אחרות.
כיצד לקרר פאנלים סולאריים
כמו מכשירים אלקטרוניים אחרים, פאנלים סולאריים מתפקדים טוב יותר בטמפרטורות נמוכות יותר. מכיוון שהם מסתמכים על אור שמש ולא על חום לצורך אנרגיה, הם מתפקדים בצורה הטובה ביותר בתנאים בהירים אך קרירים.
כדי לקרר פאנלים סולאריים במהלך הקיץ, האם כדאי לשים צל? ברור שלא! חסימת אור השמש תבטל את מטרתו של פאנל סולארי. מה לגבי מריחת קרם הגנה? לא, מריחת מחסומים פיזיים תפחית את ספיגת האור, ושיטות כימיות לא יעזרו להוריד את הטמפרטורה.
עבור פאנלים סולאריים על גגות, אוורור טבעי הוא דרך יעילה וחסכונית לקרר אותם. התקנת הפאנלים עם רווח בינם לבין הגג מאפשרת לאוויר לזרום ולקרר את הפאנלים. עם זאת, חשוב להרחיק עלים ופסולת מהרווח כדי לשמור על זרימת אוויר ולמנוע התחממות יתר.
חוקרים חקרו גם שיטות קירור שונות לשיפור יעילות פאנלים סולאריים. בנוסף לאוורור טבעי, נחקרו קירור אוויר מאולץ וקירור פוטו-וולטאי-תרמי (PVT), המציעים תובנות חשובות לגבי הורדת טמפרטורות פאנלים והגברת תפוקת האנרגיה.
ככל שתאים סולאריים, שליחי האנרגיה הנקייה, ממשיכים להשתלב בחיינו, הם מביאים איתם גל חדש של פתרונות דלי פחמן וידידותיים לסביבה.
