המדע וההמצאה של פאנלים סולאריים

מהו פאנל סולארי?

פאנלים סולאריים הופכים את אור השמש לחשמל באמצעות תאים פוטו-וולטאיים (PV). תאים אלה מורכבים ממוליכים למחצה כמו סיליקון שיכולים ליצור זרם חשמלי כאשר הם נחשפים לאור. הפאנלים מותקנים על גג בניין או חווה סולארית או קרקע לאיסוף אור שמש ויצירת אנרגיה. ניתן למצוא פאנלים סולאריים גם בחניונים, חופות ובצדי מבנים. ניתן לסווג פאנלים סולאריים על סמך סוג המוליך למחצה פוטו-וולטאי המשמש - סיליקון חד גבישי, סיליקון רב גבישי, סיליקון אמורפי או חומרים שאינם סיליקון. החומרים הנפוצים ביותר המשמשים לייצור פאנלים סולאריים הם סיליקון גבישי, סיליקון חד גבישי וסיליקון אמורפי. משתמשים בסיליקון מכיוון שהוא שופע, זול, יציב ובעל ניידות אלקטרונים גבוהה. תא סולארי מסיליקון מייצר כשליש יותר כוח מאשר תא העשוי ממוליכים למחצה חלופי.

איך עובד פאנל סולארי?

פאנלים סולאריים מכילים תאים פוטו-וולטאיים הממירים את אור השמש לחשמל. תאים אלו עשויים מחומר הנקרא סיליקון, שיכול ליצור זרם חשמלי בחשיפה לאור. פאנל סולארי מכיל תאי סיליקון פוטו-וולטאיים רבים מחוברים. כאשר אור השמש נופל על תאים אלה, הוא יוצר זרימה של אלקטרונים. לאחר מכן האלקטרונים זורמים דרך חוט מהתאים הפוטו-וולטאיים ואל רשת החשמל של הבית שלך. פאנלים סולאריים מגיעים גם עם מהפך, הממיר את הזרם הישיר (DC) שמייצר הפאנלים הסולאריים לזרם חילופין (AC) שניתן להזין לרשת. ה-AC שנוצר על ידי הפאנלים הסולאריים הוא אותו זרם שמסופק על ידי הרשת. ההבדל היחיד הוא שמקור הכוח הוחלף כעת מכבל AC המגיע מהרשת לכבל DC המגיע מהפאנלים הסולאריים.

כיצד נפתרה בעיית שעות האור המוגבלות?

תאי הסיליקון הפוטו-וולטאיים המשמשים בפאנלים סולאריים אינם יעילים במיוחד. כלומר, הם ממירים רק אחוז קטן מאור השמש שהם מקבלים לחשמל. היעילות הנמוכה הזו נובעת מכך שסיליקון הוא מוליך חשמל גרוע. ישנן מספר דרכים שבהן ניתן להגביר את היעילות של תאי סיליקון פוטו-וולטאיים. השיטה היעילה ביותר היא להשתמש בפריסת סיליקון גדולה יותר. שימוש בפרוסת סיליקון שעבה בערך פי 10 מפרוסת הסיליקון הרגילה מגבירה את היעילות של תאי סיליקון פוטו-וולטאיים. ניתן גם לחתוך את רקיקת הסיליקון הגדולה יותר לחתיכות קטנות יותר ולערום יחדיו, וליצור פאנל סולארי. בדרך זו, שטח פנים גדול יותר של סיליקון נחשף לאור השמש, מה שמוביל ליעילות גבוהה יותר בייצור חשמל. ניתן לשלב את פרוסת הסיליקון גם עם חומרים כמו קדמיום או אינדיום שהם מוליכים טובים יותר של חשמל, כדי לשפר את היעילות הכוללת של תאי סיליקון פוטו-וולטאיים.

כיצד נפתרה הבעיה של עוצמת אור נמוכה?

תאי סיליקון פוטו-וולטאיים יעילים כאשר הם נחשפים לאור באורך גל של כ-900 ננומטר. אבל אורכי גל נמוכים יותר משתקפים גם על ידי עננים ויערות עבותים, ובכך מפחיתים את עוצמת האור המגיע לתאי הסיליקון הפוטו-וולטאיים. עוצמת האור הנופל על תאי סיליקון פוטו-וולטאיים צריכה להיות גבוהה מאוד כדי ליצור זרימה משמעותית של אלקטרונים. זה יוצר אתגר מכיוון שעוצמת אור השמש יורדת ככל שהמרחק מהשמש גדל. אחת הדרכים לפתור בעיה זו היא על ידי הוספת ציפוי רפלקטיבי לתאים פוטו-וולטאיים סיליקון. ציפוי זה מחזיר אור באורך גל של פחות מ-900 ננומטר, ובכך מגביר את עוצמת האור הנופל על תאי סיליקון פוטו-וולטאיים ומגביר את יעילותם. ניתן גם לערום תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון ליצירת פאנל סולארי. זה מגדיל את שטח הפנים של תאי סיליקון פוטו-וולטאיים ומכאן את עוצמת האור הנופל עליהם.

כיצד נפתרה בעיית עלות ההתקנה הגבוהה?

תאי סיליקון פוטו-וולטאיים עשויים מגבישי סיליקון טהורים שיש לגדל במעבדה. גידול גבישי סיליקון הוא תהליך שלוקח זמן ואנרגיה הדורש כמויות גדולות של כסף. העלות הגבוהה הזו של תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון מהווה אתגר מרכזי לאימוץ הרחב שלהם במגזר האנרגיה. אחד הפתרונות לבעיה זו הוא שימוש בפרוסות סיליקון דקיקות שניתן לייצר באופן חסכוני מחומרי גלם כמו חול או קוורץ. גידול גבישי סיליקון מחומרים זולים יותר אלה יכול להוזיל את העלות של תאים פוטו-וולטאיים סיליקון. תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון שגדלו מחומרים פחות יקרים יכולים להיות מוערמים יחד ליצירת פאנל סולארי. זה מפחית את העלות הכוללת של תאים פוטו-וולטאיים סיליקון, מה שהופך את האנרגיה הסולארית למשתלמת יותר.

סיכום

המצאת הפאנלים הסולאריים הביאה אנרגיה סולארית לבתים ברחבי העולם. פאנלים סולאריים עשויים מתאי סיליקון פוטו-וולטאיים שהונדסו כדי להגביר את היעילות שלהם. יעילות גבוהה יותר בייצור חשמל הושגה על ידי הגדלת העובי של פרוסות סיליקון, הוספת ציפויים מחזירי אור, וערימת תאים פוטו-וולטאיים סיליקון יחד כדי להגדיל את שטח הפנים של הסיליקון החשוף לאור השמש. האתגר של עוצמת אור נמוכה טופלה על ידי שימוש בציפוי רפלקטיבי יותר. זה התאפשר כלכלית על ידי גידול תאים פוטו-וולטאיים סיליקון מחומרים פחות יקרים כמו חול קוורץ. המצאת הפאנלים הסולאריים פתרה את הבעיות המעכבות את השימוש באנרגיה סולארית כמקור חלופי לחשמל.