پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک چگونه عمل می‌کنند؟

به گزارش ایسنا، به طور خلاصه، پنل‌های خورشیدی نور را از خورشید به برق تبدیل می‌کنند و همانطور که می‌دانید برای انجام این کار چندین مرحله لازم است. اولین قدم در کل چرخه تولید نور است. خورشید یک راکتور گداخت هسته‌ای غول پیکر است. از آنجا که خورشید اتم‌ها را تحت فشار و درجه حرارت بسیار زیاد در هسته خود ترکیب می‌کند، یک محصول جانبی این فرایند، جدا از مقادیر عظیم گرما(حدود 15 میلیون درجه سانتی‌گراد)، مقدار زیادی نور است. این نور از محل همجوشی اتمی به سطح خورشید حرکت می‌کند و گاهی اوقات صدها هزار سال برای انجام این کار طول می‌کشد.

پس از رسیدن به سطح خورشید، نور در فضای اطراف آن پراکنده می‌شود. همانطور که همه می‌دانیم، نور از بسته‌های ریز یا کوانتوم به نام "فوتون"(photons) ساخته شده است. این فوتون‌ها از خلأ فضا در همه جهات عبور می‌کنند و مقدار بسیار کمی از آنها به زمین می‌رسد. سفر 93 میلیون مایلی بین ما و خورشید، با سرعت نور حدود 8.5 دقیقه طول می‌کشد. هر ساعت تعداد بیشماری فوتون به زمین می‌تابند و انرژی زیادی را برای زندگی فراهم می‌کنند. تخمین زده می‌شود که اگر بشر بتواند از بخش عظیمی از این موارد استفاده کند، این انرژی برای تأمین نیازهای جهانی یک سال کافی است.

اما برای انجام این کار، ما به چند فناوری احتیاج داریم. یکی از راه حل‌های اصلی ما توسعه سلول فتوولتاییک بود. این فناوری از عناصر نیمه رسانا و معمولاً سیلیکونی برای به دام انداختن و تبدیل این فوتون‌ها به یک جریان الکتریکی استفاده می‌کند.

فتوولتاییک(Photovoltaics) یا به اختصار PV، فناوری تبدل(انرژی) نور به الکتریسیته با استفاده از نیم‌رساناهایی است که ویژگی اثر فوتوولتاییک دارند. یک سامانه فتوولتاییک با به‌ کارگیری پنل‌های خورشیدی که هرکدام‌شان را شماری از سلول‌های خورشیدی تشکیل می‌دهد، توان الکتریکی تولید می‌کند.

نیمه رساناها موادی هستند که تحت شرایط معین به عنوان هادی‌های الکتریکی و عایق عمل می‌کنند. هنگامی که فوتون‌های خورشید، قریب به صدها هزار سال، به سلول خورشیدی برخورد می‌کنند، الکترون‌هایی که از اتم‌های نیمه رسانا رها می‌شوند را می‌کوبند. برای تولید یک جریان الکتریکی، این الکترون‌ها باید در جایی گردآوری شوند. برای رسیدن به این هدف، عدم تعادل الکتریکی در سلول فتوولتاییک مورد نیاز است. شما می‌توانید این عمل را عملی همانند سراشیبی بدانید که طی آن الکترون‌ها می‌توانند در هر جهتی که شما مایل هستید حرکت کند.

پنل‌های فتوولتاییک معمولاً از دو لایه نیمه رسانا تشکیل شده‌اند. برای دستیابی به این هدف پنل‌های رایانه‌ای از چندین لایه نیمه رسانا "دوپه"(dope) شده‌اند. هر لایه نیمه رسانا با برخی مواد دیگر پوشیده می‌شوند تا آنها را دارای بار مثبت یا منفی کنند. اصطلاح دوپه کردن ذرات به معنی وارد کردن ذرات ناخالص در یک ماده است. این کار برای دست یافتن به یک خاصیت معین در ماده ای که خود آن خاصیت را دارا نیست انجام می شود. مثلاً با وارد کردن ذرات فلزی در مواد پلیمری می‌توان آنها را به پلیمر هادی تبدیل کرد.

فسفر معمولاً ماده "دوپینگ"(doping) مورد نظر برای لایه بالا است تا به آن یک بار منفی، سیلیکونی از نوع "a "دهد. عنصر بور معمولاً برای لایه پایین که دارای بار مثبت است استفاده می‌شود تا به آن یک بار مثبت سیلیکونی از نوع p دهد.

این تنظیمات پس از آزاد شدن الکترون‌ها، سلول را برای ایجاد یک مدار الکتریکی آماده می‌کند. اما برای جمع آوری و تبدیل این الکترون‌ها به توان قابل استفاده، برخی از اجزای دیگر نیز مورد نیاز است.

صفحات رسانای فلزی در طرفین سلول، الکترون‌ها را جمع می‌کنند و آنها را به سیم منتقل می‌کنند. در آن مرحله، الکترون‌ها می‌توانند مانند هر منبع برق دیگر جریان داشته باشند. هرچه تعداد بیشتر آنها در مدار جریان داشته باشد، جریان مستقیم برق تولید می‌شود که می‌تواند برای کارهای مفید مورد استفاده قرار گیرد. اما ابتدا جریان مستقیم برای استفاده در اکثر دستگاه‌های برقی در خانه شما باید به جریان متناوب (AC) تبدیل شود.

برای انجام این کار ، جریان مستقیم به دستگاهی منتقل می‌شود که "برگرداننده خورشیدی"(solar inverter) نام دارد. اینها نه تنها جریان متناوب تولید می‌کنند بلکه یک نیروی محافظ خطای زمین برای آرایه پنل ایجاد می‌کنند.

هنگامی که جریان برق به صورت متناوب باشد، جریان الکتریکی می‌تواند برای تأمین تعداد بیشمار وسایل برقی در خانه شما استفاده شود. یا در عوض می‌توان آن را به شبکه ملی ارسال کرد.

هر پنل خورشیدی از چندین سلول فتوولتاییک ساخته شده است و تاسیسات فتوولتاییک معمولاً از چند صفحه تشکیل شده تا یک آرایه فتوولتاییک تشکیل دهند. هرچه پنل فتوولتاییک بیشتر باشد آرایه بزرگتر است و تولید برق با پتانسیل بیشتری نیز ممکن است.

آیا پنل‌های خورشیدی الکترون از دست می‌دهند؟

خیر، این موضوع امکانپذیر نیست. به این دلیل است که پنل‌های فتوولتاییک با آزاد کردن الکترونها از مواد نیمه رسانا "دوپ شده" درون سلول که یک مدار را تشکیل می‌دهند کار می‌کنند و سپس به نیمه رساناهای داخل پنل باز می‌گردند. در مورد هر مدار الکتریکی نیز همین موضوع وجود دارد. در اینجا الکترون‌ها به عنوان یک جریان الکتریکی از طریق یک حلقه بسته جریان می‌یابند.

مدارها، الکترونها را ایجاد نمی‌کنند، از بین نمی‌برند، استفاده نمی‌کنند و یا از دست نمی‌دهند. آنها فقط الکترون‌ها را به صورت دایره‌ای حمل می‌کنند.

کل دستگاه در هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید، یک مدار الکتریکی تولید می‌کند که از طریق دستگاه فتوولتاییک به یک جهت جریان می‌یابد.

الکترون‌های جلوی سلول توسط خطوط شبکه باریک نازک جمع آوری می‌شوند که روی سطح جلوی سلول چاپ می‌شوند و به سمت شینه‌های ضخیم‌تر جریان می‌یابند. تمام ژنراتورها، ترانسفورماتورها، سیم‌ها و کابل‌های یک نیروگاه یا تبدیل‌گاه که ولتاژ برابری دارند با یک شمش یا یک رسانا به نام شینه یا باس‌بار(Busbar) در هر فاز بهم متصل می‌شوند. در شینه تمام انرژی ژنراتورها، ترانسفورماتورها یا هر دو بهم می‌پیوندند و از آنجا بطور مستقیم با همان ولتاژ یا به کمک ترانسفورماتور افزاینده یا کاهنده با ولتاژ دیگر به مصرف‌کننده‌ها یا شینه‌های دیگر هدایت می‌گردند.

جریان الکتریکی سپس به مدار جایی که پتانسیل ولتاژ خود را به عنوان انرژی الکتریکی از دست می‌دهد، می‌رود. سپس الکترون‌های خسته شده در مدار الکتریکی جریان می‌یابند تا اینکه جریان را به عقب سلول خورشیدی برگردانند، جایی که آنها با سوراخ‌هایی که در ابتدا پشت سر گذاشتند مجددا ترکیب می‌شوند. به همین دلیل سلول‌ها هرگز الکترون‌ها را از بین نمی‌برند. آنها همیشه در اطراف مدار ایجاد شده درون سلول فتوولتاییک جریان می‌یابند. پتانسیل ولتاژ توسط فوتون‌های خورشید که مقداری از انرژی خود را در بار مدار از دست می‌دهند، ایجاد می‌شود . سپس این دوباره به سلول خورشیدی جریان می‌یابد و این روند بارها و بارها تا زمانی که نور خورشید وجود داشته باشد، تکرار می شود.

پنل‌های خورشیدی قابل حمل چگونه کار می کنند؟

پنل‌های خورشیدی قابل حمل همانطور که از نام این دستگاه پیداست، پنل‌های فتوولتاییکی هستند که می‌توانند به راحتی انتقال داده شوند. آنها با پنل‌های فتوولتاییک سنتی‌ که سنگین و دست و پا گیر هستند و در ثابت هستند تفاوت دارند. آرایه‌های فتوولتاییکی جدید قابل حمل و جمع و جور هستند و از نظر اندازه نیز بسیار کوچک‌تر از آنها هستند. آنها تمایل به تولید انرژی کمتری نسبت به آرایه‌های فتوولتاییکی بزرگتر دارند و به طور خاص برای استفاده در اردوگاه ها یا تورها طراحی شده‌اند. آرایه‌های مسکونی فتوولتاییکی می‌توانند حدود 30 کیلووات در ساعت برق در روز تولید کنند.