Сонячні елементи – це немеханічні пристрої, які використовують напівпровідники для безпосереднього перетворення сонячного світла в електрику за допомогою фотоелектричного ефекту. Інтуїтивно можна подумати, що сонячні елементи процвітають під інтенсивним сонячним світлом, але чи це насправді так?
Людство вже давно використовує сонячну енергію трьома основними способами її перетворення: фотоелектричне перетворення, фототермічне перетворення та фотохімічне перетворення. Фотоелектричні (ФЕ) системи, які перетворюють сонячне світло на електрику, є одним із найефективніших способів використання сонячної енергії.
Фотовольтаїчний ефект вперше спостерігав у 1839 році французький вчений Едмон Беккерель, і він стосується генерації електричного потенціалу, коли світло потрапляє на напівпровідник. Пізніше Ейнштейн пояснив цей ефект за допомогою квантової теорії світла, за що отримав Нобелівську премію з фізики 1921 року.
На відміну від фотоелектричного ефекту, який виникає, коли світло падає на один провідник, фотоелектричний ефект відбувається на межі між двома напівпровідниковими пластинами. Коли вони з'єднані дротом, ця межа створює електричне поле, що дозволяє струму протікати.
Отже, як сонячні елементи перетворюють сонячне світло на електрику? Сонячне світло – це широкий спектр електромагнітного випромінювання. Коли воно потрапляє на сонячний елемент, випромінювання може відбиватися, поглинатися або проходити крізь нього. Тільки поглинене випромінювання перетворюється на електричну енергію.
Для напівпровідників на основі кремнію для вибиття електрона з його атома потрібна енергія 1,11 електрон-вольта (еВ). Тільки фотони з енергією, що перевищує цей поріг, можуть генерувати електрику. Однак надлишок енергії від фотонів вищої енергії втрачається у вигляді тепла, що сприяє нагріванню сонячної панелі, що може підвищити її температуру вище температури навколишнього повітря.
Всупереч поширеній думці, кремнієві сонячні елементи насправді віддають перевагу прохолоднішому середовищу, хоча їм все ще потрібне сонячне світло. Зі зростанням температури сонячні панелі виробляють менше енергії, незважаючи на те, що отримують таку ж кількість сонячного світла.
Високі температури переважно знижують напругу холостого ходу (напругу, коли струм не протікає), хоча струм короткого замикання (струм, коли елемент коротко замкнений) залишається відносно стабільним. Це означає, що вищі температури призводять до зниження ефективності та зменшення вихідної потужності.
Сонячні елементи зазвичай випробовуються за стандартної температури 25°C (77°F). Коли температура панелі досягає 60°C (140°F) або вище, її вихідна потужність значно падає. З кожним градусом підвищення температури струм короткого замикання збільшується лише на 0,04%, тоді як напруга холостого ходу зменшується на 0,4%.
Навіть попри те, що ефективність падає влітку, велика кількість сонячного світла в цей сезон все одно призводить до вищого загального виробництва енергії порівняно з іншими сезонами.
Як охолодити сонячні панелі
Як і інші електронні пристрої, сонячні панелі краще працюють за нижчих температур. Оскільки вони використовують сонячне світло, а не тепло для отримання енергії, вони найкраще працюють за яскравих, але прохолодних умов.
Щоб охолодити сонячні панелі влітку, чи варто нам ставити затінок? Звичайно, ні! Блокування сонячного світла зведе нанівець призначення сонячної панелі. А як щодо нанесення сонцезахисного крему? Ні, застосування фізичних бар'єрів зменшить поглинання світла, а хімічні методи не допоможуть знизити температуру.
Для дахових сонячних панелей природна вентиляція є ефективним та економічним способом їх охолодження. Встановлення панелей із зазором між ними та дахом дозволяє повітрю циркулювати та охолоджувати панелі. Однак важливо не допускати потрапляння листя та сміття в зазор, щоб підтримувати потік повітря та запобігати перегріву.
Дослідники також вивчали різні методи охолодження для підвищення ефективності сонячних панелей. Окрім природної вентиляції, було досліджено примусове повітряне охолодження та фотоелектричне термічне охолодження (PVT), що дає цінні знання щодо зниження температури панелей та збільшення вироблення енергії.
Оскільки сонячні батареї, емісари чистої енергії, продовжують інтегруватися в наше життя, вони приносять із собою нову хвилю низьковуглецевих, екологічно чистих рішень.
