Ogniwa słoneczne to urządzenia niemechaniczne, które wykorzystują półprzewodniki do bezpośredniej konwersji światła słonecznego na energię elektryczną poprzez efekt fotowoltaiczny. Intuicyjnie można by sądzić, że ogniwa słoneczne dobrze sobie radzą w warunkach intensywnego światła słonecznego, ale czy rzeczywiście tak jest?
Ludzkość od dawna wykorzystuje energię słoneczną, wykorzystując trzy główne metody jej przetwarzania: konwersję fotowoltaiczną, konwersję fototermiczną i konwersję fotochemiczną. Generowanie energii fotowoltaicznej (PV), która przekształca światło słoneczne w energię elektryczną, jest jednym z najefektywniejszych sposobów wykorzystania energii słonecznej.
Efekt fotowoltaiczny został po raz pierwszy zaobserwowany w 1839 roku przez francuskiego naukowca Edmonda Becquerela i odnosi się do generowania potencjału elektrycznego, gdy światło pada na półprzewodnik. Później Einstein wyjaśnił ten efekt, posługując się kwantową teorią światła, za co otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku.
W przeciwieństwie do efektu fotoelektrycznego, który występuje, gdy światło pada na pojedynczy przewodnik, efekt fotowoltaiczny zachodzi na granicy między dwiema płytkami półprzewodnikowymi. Po połączeniu przewodem granica ta wytwarza pole elektryczne, umożliwiając przepływ prądu.
Jak więc ogniwa słoneczne przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną? Światło słoneczne to szerokie spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Kiedy pada na ogniwo słoneczne, może zostać odbite, pochłonięte lub przepuszczone przez nie. Tylko promieniowanie pochłonięte jest przekształcane w energię elektryczną.
W przypadku półprzewodników krzemowych, do wybicia elektronu z atomu potrzebna jest energia 1,11 elektronowolta (eV). Tylko fotony o energii wyższej niż ten próg mogą generować energię elektryczną. Jednak nadmiar energii z fotonów o wyższej energii jest tracony w postaci ciepła, przyczyniając się do nagrzewania panelu słonecznego, co może podnieść jego temperaturę powyżej temperatury otoczenia.
Wbrew powszechnemu przekonaniu, krzemowe ogniwa słoneczne preferują chłodniejsze warunki, mimo że nadal potrzebują światła słonecznego. Wraz ze wzrostem temperatury, panele słoneczne wytwarzają mniej energii, mimo że otrzymują tę samą ilość światła słonecznego.
Wysokie temperatury głównie obniżają napięcie w obwodzie otwartym (napięcie przy braku przepływu prądu), chociaż prąd zwarcia (prąd w ogniwie zwartym) pozostaje stosunkowo stabilny. Oznacza to, że wyższe temperatury prowadzą do niższej sprawności i mniejszej mocy wyjściowej.
Ogniwa słoneczne są zazwyczaj testowane w standardowej temperaturze 25°C (77°F). Gdy temperatura panelu osiągnie 60°C (140°F) lub więcej, jego moc wyjściowa znacznie spada. Z każdym stopniem wzrostu temperatury prąd zwarcia wzrasta tylko o 0,04%, a napięcie w obwodzie otwartym spada o 0,4%.
Mimo że latem wydajność spada, obfitość światła słonecznego w tym okresie i tak przekłada się na wyższą ogólną produkcję energii w porównaniu z innymi porami roku.
Jak schłodzić panele słoneczne
Podobnie jak inne urządzenia elektroniczne, panele słoneczne działają lepiej w niższych temperaturach. Ponieważ do zasilania wykorzystują światło słoneczne, a nie ciepło, działają najlepiej w jasnych, ale chłodnych warunkach.
Czy powinniśmy stawiać rolety, aby schłodzić panele słoneczne latem? Oczywiście, że nie! Blokowanie światła słonecznego zniweczyłoby celowość ich istnienia. A co ze stosowaniem kremów z filtrem przeciwsłonecznym? Nie, stosowanie barier fizycznych zmniejszyłoby absorpcję światła, a metody chemiczne nie pomogą obniżyć temperatury.
W przypadku paneli słonecznych na dachu, naturalna wentylacja jest skutecznym i ekonomicznym sposobem ich chłodzenia. Montaż paneli z zachowaniem odstępu od dachu umożliwia cyrkulację powietrza i chłodzenie paneli. Ważne jest jednak, aby liście i zanieczyszczenia nie dostały się do odstępu, aby utrzymać przepływ powietrza i zapobiec przegrzaniu.
Naukowcy badali również różne metody chłodzenia, aby poprawić wydajność paneli słonecznych. Oprócz wentylacji naturalnej, testowano wymuszone chłodzenie powietrzem i chłodzenie fotowoltaiczno-termiczne (PVT), co dostarczyło cennych informacji na temat obniżania temperatury paneli i zwiększania wydajności energetycznej.
Ogniwa słoneczne – wysłannicy czystej energii – stają się coraz bardziej powszechne w naszym życiu i przynoszą ze sobą nową falę rozwiązań niskoemisyjnych i przyjaznych dla środowiska.
