Πώς λειτουργούν τα φωτοβολταϊκά πάνελ;

Τι είναι η φωτοβολταϊκή ενέργεια;

Για να καταλάβουμε πώς λειτουργούν τα φωτοβολταϊκά πάνελ, είναι σημαντικό να καταλάβουμε τη φωτοβολταϊκή ενέργεια πρώτα.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρήθηκε αρχικά από τον Γάλλο φυσικό Edmond Becquerel το 1839, ο οποίος διαπίστωσε ότι ορισμένα υλικά παράγουν μικρές ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος όταν εκτίθενται στο φως.

Το 1905, ο Albert Einstein περιγράφει τη φύση του φωτός και το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα πάνω στο οποίο βασίζεται η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, για το οποίο αργότερα κέρδισε βραβείο Νόμπελ στη Φυσική.

Η πρώτη φωτοβολταϊκή μονάδα κατασκευάστηκε από την Bell Laboratories το 1954, ωστόσο τη δεκαετία του ‘70 η φωτοβολταϊκή τεχνολογία κέρδισε την αναγνώριση ως πηγή ενέργειας για μη διαστημικές εφαρμογές.

Η φωτοβολταϊκή ενέργεια είναι η μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρισμό. Ορισμένα υλικά παρουσιάζουν μια ιδιότητα, γνωστή ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο απορροφούν φωτόνια φωτός και απελευθερώνουν ηλεκτρόνια.

Όταν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται, προκύπτει ένα ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρισμός.

Τι είναι τα φωτοβολταϊκά πάνελ και πώς λειτουργούν;

Ένα συμβατικό ηλιακό πάνελ αποτελείται από ένα στρώμα κυψελών πυριτίου, ένα μεταλλικό πλαίσιο, ένα γυάλινο περίβλημα και διάφορες καλωδιώσεις που επιτρέπουν τη ροή ρεύματος από τα κύτταρα πυριτίου.

Το πυρίτιο, που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία μικροηλεκτρονικής, είναι μη μεταλλικό με αγώγιμες ιδιότητες, που του επιτρέπουν να απορροφά και να μετατρέπει το φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Όταν το φως αλληλεπιδρά με μια κυψέλη πυριτίου, προκαλεί την ενεργοποίηση των ηλεκτρονίων, τα οποία με τη σειρά τους προκαλούν μια ροή ηλεκτρικού ρεύματος.

Αυτό είναι γνωστό ως «φωτοβολταϊκό φαινόμενο» και περιγράφει τη γενική λειτουργικότητα της τεχνολογίας των ηλιακών συλλεκτών.

 

Η διαδικασία της λειτουργίας όπως περιγράφεται παραπάνω, έχει τα ακόλουθα βήματα:

  1. Το ηλιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία.
  2. Όταν οι ακτίνες του ήλιου αλληλεπιδρούν με τα κύτταρο πυριτίου, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται.
  3. Τα κινούμενα ηλεκτρόνια δημιουργούν μια ροή ηλεκτρικού ρεύματος, που συλλαμβάνεται από κόμβους και καλωδίωση στον πίνακα.
  4. Τα καλώδια τροφοδοτούν αυτό το ρεύμα συνεχούς ρεύματος (DC) σε έναν ηλιακό μετατροπέα που πρέπει να μετατραπεί σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).

Φωτοβολταϊκή μονάδα

Φωτοβολταϊκή μονάδα ονομάζεται ένας αριθμός ηλιακών κυψελών που συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους και συναρμολογούνται σε μια δομή ή πλαίσιο στήριξης. Οι μονάδες έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε μια ορισμένη τάση.

Το παραγόμενο ρεύμα εξαρτάται άμεσα από το πόσο φως χτυπά το δομοστοιχείο, γνωστό και ως δομομονάδα. Πολλαπλές μονάδες μπορούν να συνδεθούν μαζί για να σχηματίσουν μια συστοιχία.

Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια μιας μονάδας ή συστοιχίας, τόσο περισσότερος ηλεκτρισμός θα παραχθεί. Οι φωτοβολταϊκές μονάδες και οι συστοιχίες παράγουν ηλεκτρισμό συνεχούς ρεύματος. Μπορούν να συνδεθούν σε σειριακές και παράλληλες ηλεκτρικές διατάξεις για να παράγουν οποιοδήποτε απαιτούμενο συνδυασμό τάσης και ρεύματος.

Επιπλέον μέρη φωτοβολταϊκού πάνελ

Εκτός από τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου, ένα τυπικό φωτοβολταϊκό πάνελ περιλαμβάνει γυάλινο περίβλημα που προσφέρει αντοχή και προστασία για τα φωτοκύτταρα πυριτίου. Κάτω από το εξωτερικό γυαλί, ο πίνακας διαθέτει ένα στρώμα για μόνωση και ένα προστατευτικό φύλλο, το οποίο προστατεύει από τη διαρροή θερμότητας και την υγρασία μέσα στο πλαίσιο.

Η μόνωση είναι σημαντική επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση της απόδοσης, με αποτέλεσμα τη χαμηλότερη απόδοση του ηλιακού πίνακα.

Οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν αντανακλαστική επίστρωση που αυξάνει την απορρόφηση του ηλιακού φωτός και επιτρέπει στα κύτταρα πυριτίου να λαμβάνουν τη μέγιστη έκθεση στον ήλιο. Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου κατασκευάζονται γενικά σε δύο κυτταρικούς σχηματισμούς: μονοκρυσταλλικούς ή πολυκρυσταλλικούς. Τα μονοκρυσταλλικά κύτταρα αποτελούνται από ένα μονό πυρίτιο κρύσταλλο, ενώ τα πολυκρυσταλλικά κύτταρα αποτελούνται από θραύσματα πυριτίου.