Panele fotowoltaiczne to coraz bardziej popularne urządzenia stosowane również w Polsce. Na czym opiera się ich zasada działania?
Ogniwa fotowoltaiczne są kluczowym elementem technologii słonecznej, umożliwiającym zamianę energii słonecznej na energię elektryczną. W tym artykule omówimy podstawowe zasady działania ogniw fotowoltaicznych oraz przedstawimy niezbędne wzory, które pozwolą lepiej zrozumieć, jak te urządzenia konwertują światło słoneczne na prąd elektryczny.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego
Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnikowych, zazwyczaj wykonanych z krzemu. Półprzewodniki te są specjalnie domieszkowane, co prowadzi do powstania warstwy typu n (nadmiar elektronów) i warstwy typu p (niedobór elektronów). Warstwy te są umieszczone jedna na drugiej, tworząc złącze pn. Na górnej i dolnej stronie ogniwa umieszczone są metalowe elektrody, które umożliwiają przewodzenie wygenerowanego prądu elektrycznego.
Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego
Działanie ogniwa fotowoltaicznego opiera się na zjawisku znanym jako efekt fotowoltaiczny. Kiedy światło słoneczne pada na powierzchnię ogniwa, energia fotonów jest absorbowana przez półprzewodnik. Ta energia jest przekazywana elektronom, które zostają wybite z atomów, tworząc pary elektron-dziura. Wzór na energię fotonu można opisać jako:
E = h * ν = h * c / λ
gdzie: E – energia fotonu h – stała Plancka (6,626 x 10^(-34) Js) ν – częstotliwość fotonu c – prędkość światła (3 x 10^8 m/s) λ – długość fali światła
W obszarze złącza pn, dzięki polu elektrycznemu, elektrony i dziury są oddzielane, co prowadzi do powstania napięcia elektrycznego. Elektrony przemieszczają się w kierunku elektrody związanej z warstwą typu n, a dziury przemieszczają się w kierunku elektrody związanej z warstwą typu p. Kiedy ogniwo jest połączone z obwodem zewnętrznym, przepływający prąd elektryczny jest równy iloczynowi natężenia prądu i napięcia:
P = I * V
gdzie: P – moc elektryczna I – natężenie prądu V – napięcie
Współczynnik sprawności ogniwa fotowoltaicznego to stosunek mocy elektrycznej wygenerowanej przez ogniwo do mocy światła słonecznego padającego na jego powierzchnię. W praktyce, większość ogniw fotowoltaicznych ma sprawność rzędu 15-20%, chociaż są dostępne również modele o wyższej sprawności.
Sprawność ogniwa fotowoltaicznego można wyrazić wzorem:
η = (P_out / P_in) * 100%
gdzie: η – współczynnik sprawności ogniwa fotowoltaicznego P_out – moc elektryczna wygenerowana przez ogniwo P_in – moc światła słonecznego padającego na powierzchnię ogniwa
Czynniki wpływające na wydajność ogniw fotowoltaicznych
Wydajność ogniwa fotowoltaicznego zależy od wielu czynników, takich jak:
- Intensywność światła słonecznego: Wydajność ogniwa zależy od ilości padającego światła słonecznego. Im większa intensywność światła, tym więcej energii jest przekazywane elektronom, co prowadzi do wyższego napięcia i natężenia prądu.
- Temperatura: Wyższe temperatury powodują wzrost oporności półprzewodnika, co prowadzi do obniżenia napięcia i sprawności ogniwa. Dlatego ważne jest, aby ogniwa fotowoltaiczne były odpowiednio chłodzone, aby utrzymać jak najwyższą wydajność.
- Kąt padania światła: Optymalny kąt padania światła na powierzchnię ogniwa fotowoltaicznego zależy od szerokości geograficznej i pory roku. Aby uzyskać maksymalną wydajność, panele słoneczne powinny być ustawione pod odpowiednim kątem w stosunku do poziomu.