6. Πώς παράγει ρεύμα ένα φωτοβολταϊκό;

Στις στέγες βλέπουμε ηλιακούς θερμοσίφωνες και φωτοβολταϊκά πλαίσια. Και τα δύο δέχονται την ακτινοβολία του Ήλιου. Κάνουν όμως την ίδια δουλειά; Και το φωτοβολταϊκό παράγει περισσότερο ρεύμα επειδή φωτίζεται ή επειδή ζεσταίνεται;

6.1. Φως ή ζέστη;

Το φωτοβολταϊκό αξιοποιεί το φως για να δώσει ηλεκτρική ενέργεια. Δεν χρειάζεται πρώτα να θερμάνει νερό ή να κινήσει κάποιον μηχανισμό. Η μετατροπή γίνεται μέσα στο ίδιο το υλικό του.

Ο ηλιακός θερμοσίφωνας, αντίθετα, αξιοποιεί την ηλιακή ακτινοβολία για θέρμανση. Στον συλλέκτη θερμαίνεται ένα υγρό και η ενέργεια μεταφέρεται στο νερό που θα χρησιμοποιήσουμε. Ο συνηθισμένος ηλιακός θερμοσίφωνας δεν παράγει ηλεκτρική ενέργεια.

Ίδια πηγή ενέργειας, διαφορετικός τρόπος αξιοποίησης.

Μάλιστα, για το ίδιο φως που πέφτει πάνω του, ένα συνηθισμένο φωτοβολταϊκό πυριτίου συνήθως αποδίδει λιγότερη ηλεκτρική ισχύ όταν η θερμοκρασία του ανεβαίνει πολύ. Η ζέστη, λοιπόν, δεν είναι εκείνη που το κάνει να λειτουργεί καλύτερα!

6.2. Τι υπάρχει κάτω από το γυαλί;

Ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από πολλά συνδεδεμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Στα συνηθισμένα στοιχεία βασικό υλικό είναι το πυρίτιο, ένας ημιαγωγός.

Ο ημιαγωγός είναι υλικό του οποίου η ηλεκτρική συμπεριφορά μπορεί να ελεγχθεί, για παράδειγμα με την προσθήκη πολύ μικρών ποσοτήτων άλλων στοιχείων. Αυτή η δυνατότητα είναι χρήσιμη και στα ηλεκτρονικά κυκλώματα των υπολογιστών.

Στο φωτοβολταϊκό, το υλικό έχει υποστεί ειδική επεξεργασία ώστε να δημιουργούνται περιοχές με διαφορετικές ιδιότητες. Στην περιοχή όπου συναντιούνται δημιουργείται ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο: μια περιοχή όπου τα ηλεκτρικά φορτία δέχονται ηλεκτρικές δυνάμεις.

6.3. Τι κάνει το φως;

Στην ενότητα της κβαντικής φυσικής γνωρίσαμε τα φωτόνια, με τα οποία το φως μεταφέρει ενέργεια. Όταν ένα κατάλληλο φωτόνιο απορροφηθεί στο πυρίτιο, μπορεί να δώσει ενέργεια σε ένα ηλεκτρόνιο, επιτρέποντάς του να κινηθεί μέσα στο υλικό.

Το ηλεκτρόνιο αφήνει πίσω του μια κενή θέση, που ονομάζεται οπή. Η οπή συμπεριφέρεται ως φορέας θετικού φορτίου. Δεν είναι καινούργιο θετικό σωματίδιο: όταν ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο καλύψει την κενή θέση, αφήνει μια άλλη κενή θέση πίσω του. Έτσι μπορεί να μετακινείται η οπή.

Φανταστείτε μια σειρά από καρέκλες με μία άδεια θέση. Αν ο διπλανός μετακινηθεί στην άδεια καρέκλα, η κενή θέση μεταφέρεται στη δική του. Η αναλογία βοηθά να καταλάβουμε την κίνηση της οπής· δεν περιγράφει κατά γράμμα την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στο πυρίτιο.

Απλοποιημένο σχήμα της δημιουργίας και του διαχωρισμού των φορέων φορτίου. Το φως δίνει ενέργεια· δεν δημιουργεί συνολικό ηλεκτρικό φορτίο.

Το εσωτερικό πεδίο βοηθά να οδηγηθούν τα ηλεκτρόνια και οι οπές προς διαφορετικές πλευρές, όπου συλλέγονται από ηλεκτρικές επαφές. Έτσι το φωτιζόμενο στοιχείο μπορεί να εμφανίσει τάση ανάμεσα στις επαφές του και να τροφοδοτήσει ένα εξωτερικό κύκλωμα.

Tip

Αρκεί να φωτίσουμε οποιοδήποτε μεταλλικό κομμάτι για να αποκτήσουμε μια χρήσιμη ηλεκτρική πηγή; Τι επιπλέον κάνει η κατασκευή του φωτοβολταϊκού;

6.4. Πότε περνά ρεύμα;

Αν συνδέσουμε στις επαφές μια κατάλληλη συσκευή με καλώδια, ώστε να σχηματιστεί κλειστό κύκλωμα, μπορεί να περάσει ρεύμα και να μεταφερθεί ενέργεια στη συσκευή. Στα μεταλλικά καλώδια κινούνται ηλεκτρόνια που υπάρχουν ήδη εκεί.

Με ανοιχτό κύκλωμα μπορεί να υπάρχει τάση, αλλά δεν περνά συνεχές ρεύμα μέσα από τη συσκευή. Θυμηθείτε την αντίστοιχη διάκριση στην μπαταρία: άλλο η τάση και άλλο το ρεύμα.

Η πηγή ενέργειας εδώ είναι το φως που φτάνει στο στοιχείο. Το ηλεκτρικό πεδίο βοηθά στον διαχωρισμό των φορτίων, αλλά δεν αποτελεί ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Χωρίς φωτισμό, το φωτοβολταϊκό δεν συνεχίζει να τροφοδοτεί τη συσκευή όπως μια φορτισμένη μπαταρία.

6.5. Και γιατί δεν μετατρέπεται όλο το φως σε ηλεκτρισμό;

Μέρος του φωτός ανακλάται. Κάποια φωτόνια δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να δημιουργήσουν κινητά ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών στο συγκεκριμένο υλικό. Από όσα έχουν περισσότερη ενέργεια από την απαιτούμενη, μέρος της ενέργειας καταλήγει σε θέρμανση.

Επίσης, κάποιοι φορείς επανασυνδέονται πριν συλλεχθούν στις επαφές. Γι” αυτούς και άλλους λόγους, μόνο ένα μέρος της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας γίνεται χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια.

6.6. Τι γίνεται με σύννεφα ή τη νύχτα;

Με συννεφιά φτάνει ακόμη φως στο φωτοβολταϊκό, οπότε μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, συνήθως όμως λιγότερη. Τη νύχτα δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία για να αξιοποιήσει. Το ίδιο το πλαίσιο δεν αποθηκεύει την ενέργεια της ημέρας.

Για να χρησιμοποιήσουμε αργότερα μέρος της ενέργειας που παρήγαγε, χρειάζεται χωριστό σύστημα αποθήκευσης, όπως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Ένα σπίτι μπορεί επίσης να παίρνει ενέργεια από το ηλεκτρικό δίκτυο όταν η παραγωγή του φωτοβολταϊκού δεν επαρκεί.

Τα φωτοβολταϊκά δίνουν συνεχές ρεύμα. Για τη σύνδεση με το οικιακό δίκτυο χρησιμοποιείται ένας αντιστροφέας (inverter), ο οποίος το μετατρέπει σε κατάλληλο εναλλασσόμενο ρεύμα.

6.7. Τρεις ιδέες να κρατήσουμε

• Το φωτοβολταϊκό αξιοποιεί την ενέργεια του φωτός, όχι τη θέρμανσή του.

• Το φως δημιουργεί κινητούς φορείς φορτίου και η κατασκευή του στοιχείου επιτρέπει τον διαχωρισμό και τη συλλογή τους.

• Το φωτοβολταϊκό μετατρέπει ενέργεια· για αποθήκευση χρειάζεται άλλο σύστημα.

6.8. Πριν κλείσουμε

1. Ένα φωτοβολταϊκό είναι ζεστό αλλά βρίσκεται στο σκοτάδι. Μπορεί να τροφοδοτεί μια συσκευή μόνο επειδή είναι ζεστό;

2. Ποια είναι η βασική διαφορά του από έναν ηλιακό θερμοσίφωνα;

3. Γιατί ένα φωτοβολταϊκό στην οροφή δεν εξασφαλίζει από μόνο του ηλεκτρική ενέργεια και τη νύχτα;

Για όποιον θέλει να διαβάσει περισσότερο

Πηγές στα αγγλικά: Η λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου — DOE, Απόδοση και απώλειες — DOE, Φωτοβολταϊκά και ηλεκτρισμός — EIA και Ηλιακοί θερμοσίφωνες — ENERGY STAR.