Πώς λειτουργούν οι ηλιακοί συλλέκτες;

Είτε σε έναν ηλιακό υπολογιστή ή έναν διεθνή διαστημικό σταθμό, οι ηλιακοί συλλέκτες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας τις ίδιες αρχές ηλεκτρονικών με τις χημικές μπαταρίες ή τις τυπικές ηλεκτρικές πτήσεις.Με ηλιακούς συλλέκτες, είναι όλα σχετικά με την ελεύθερη ροή των ηλεκτρονίων μέσω ενός κυκλώματος. Για να κατανοήσουμε πώς οι ηλιακοί συλλέκτες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να βοηθήσουν να κάνουμε ένα γρήγορο ταξίδι στην τάξη χημείας γυμνασίου.Το βασικό στοιχείο των ηλιακών συλλεκτών είναι το ίδιο στοιχείο που βοήθησε στη δημιουργία της επανάστασης του υπολογιστή - καθαρού πυριτίου.Όταν το πυρίτιο είναι απογυμνωμένο από όλες τις ακαθαρσίες, κάνει μια ιδανική ουδέτερη πλατφόρμα για τη μετάδοση ηλεκτρονίων.Το πυρίτιο έχει επίσης κάποιες ιδιότητες ατομικού επιπέδου που καθιστούν ακόμη πιο ελκυστική για τη δημιουργία ηλιακών συλλεκτών. Τα άτομα πυριτίου έχουν χώρο για οκτώ ηλεκτρόνια στις εξωτερικές ζώνες τους, αλλά φέρουν μόνο τέσσερα στη φυσική τους κατάσταση.Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει χώρος για τέσσερα περισσότερα ηλεκτρόνια.Εάν ένα άτομο πυριτίου έρχεται σε επαφή με ένα άλλο άτομο πυριτίου, το καθένα λαμβάνει τα τέσσερα ηλεκτρόνια του άλλου ατόμου.Αυτό δημιουργεί έναν ισχυρό δεσμό, αλλά δεν υπάρχει θετικό ή αρνητικό φορτίο επειδή τα οκτώ ηλεκτρόνια ικανοποιούν τις ανάγκες των ατόμων.Τα άτομα πυριτίου μπορούν να συνδυαστούν για χρόνια για να οδηγήσουν σε ένα μεγάλο κομμάτι καθαρού πυριτίου.Αυτό το υλικό χρησιμοποιείται για να σχηματίσει τις πλάκες των ηλιακών συλλεκτών.

Εδώ είναι όπου η επιστήμη εισέρχεται στην εικόνα.Δύο πλάκες καθαρού πυριτίου δεν θα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε ηλιακούς συλλέκτες, επειδή δεν έχουν θετικό ή αρνητικό φορτίο.Τα ηλιακά πάνελ δημιουργούνται συνδυάζοντας το πυρίτιο με άλλα στοιχεία που έχουν θετικές ή αρνητικές χρεώσεις.

Ο φωσφόρος, για παράδειγμα, έχει πέντε ηλεκτρόνια για να προσφέρει σε άλλα άτομα.Εάν το πυρίτιο και ο φωσφόρος συνδυάζονται χημικά, το αποτέλεσμα είναι ένα σταθερό οκτώ ηλεκτρόνια με ένα επιπλέον ελεύθερο ηλεκτρόνιο για τη διαδρομή.Δεν μπορεί να φύγει, επειδή είναι συνδεδεμένο με τα άλλα άτομα φωσφόρου, αλλά δεν χρειάζεται από το πυρίτιο.Επομένως, αυτή η νέα πλάκα πυριτίου/φωσφόρου θεωρείται αρνητικά φορτισμένη.

Προκειμένου να ρέει η ηλεκτρική ενέργεια, πρέπει επίσης να δημιουργηθεί θετικό φορτίο.Αυτό επιτυγχάνεται σε ηλιακούς συλλέκτες συνδυάζοντας το πυρίτιο με ένα στοιχείο όπως το βόριο, το οποίο έχει μόνο τρία ηλεκτρόνια που προσφέρουν.Μια πλάκα πυρίτιο/βόριο έχει ακόμα ένα σημείο που έχει απομείνει για ένα άλλο ηλεκτρόνιο.Αυτό σημαίνει ότι η πλάκα έχει θετική φόρτιση.Οι δύο πλάκες είναι σάντουιτς μαζί σε ηλιακούς συλλέκτες, με αγώγιμα καλώδια που τρέχουν μεταξύ τους.Το φυσικό ηλιακό φως στέλνει πολλά διαφορετικά σωματίδια ενέργειας, αλλά αυτό που μας ενδιαφέρει περισσότερο ονομάζεται φωτόνιο.Ένα φωτόνιο ουσιαστικά ενεργεί σαν ένα κινούμενο σφυρί.Όταν οι αρνητικές πλάκες των ηλιακών κυττάρων υποδεικνύονται σε σωστή γωνία στον ήλιο, τα φωτόνια βομβαρδίζουν τα άτομα πυρίτιο/φωσφόρου.

Τελικά, το 9ο ηλεκτρόνιο, το οποίο θέλει να είναι ελεύθερο ούτως ή άλλως, χτυπάει από το εξωτερικό δακτύλιο.Αυτό το ηλεκτρόνιο δεν παραμένει ελεύθερο για πολύ, αφού η θετική πλάκα πυρίτιο/βόριο το προσελκύει στο ανοιχτό σημείο της εξωτερικής του ζώνης.Καθώς τα φωτόνια του ήλιου σπάνε περισσότερα ηλεκτρόνια, παράγεται ηλεκτρική ενέργεια.Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα ηλιακό κύτταρο δεν είναι πολύ εντυπωσιακή, αλλά όταν όλα τα αγώγιμα καλώδια αντλούν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μακριά από τις πλάκες, υπάρχει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδοσία χαμηλών κινητήρων ή άλλων ηλεκτρονικών.Όποια και αν είναι τα ηλεκτρόνια δεν χρησιμοποιούνται ή χάνονται στον αέρα, επιστρέφονται στην αρνητική πλάκα και η όλη διαδικασία αρχίζει ξανά.

Ένα από τα κύρια προβλήματα με τη χρήση ηλιακών συλλεκτών είναι η μικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγουν σε σύγκριση με το μέγεθός τους.Μια αριθμομηχανή μπορεί να απαιτεί μόνο ένα μόνο ηλιακό κύτταρο, αλλά ένα ηλιακό αυτοκίνητο θα απαιτούσε αρκετές χιλιάδες.Εάν η γωνία των ηλιακών συλλεκτών αλλάξει ακόμη και ελαφρώς, η απόδοση μπορεί να μειωθεί κατά 50 %.

Ορισμένη ισχύς από ηλιακούς συλλέκτες μπορεί να αποθηκευτεί σε χημικές μπαταρίες, αλλά συνήθως δεν υπάρχει βλεννίδαH Η υπερβολική ισχύς στην πρώτη θέση.Το ίδιο φως του ήλιου που παρέχει φωτόνια παρέχει επίσης πιο καταστρεπτικά υπεριώδη και υπέρυθρη κύματα, τα οποία τελικά αναγκάζουν τα πάνελ να υποβαθμιστούν φυσικά.Τα πάνελ πρέπει επίσης να εκτίθενται σε καταστροφικά στοιχεία καιρού, τα οποία μπορούν επίσης να επηρεάσουν σοβαρά την αποτελεσματικότητα.

Πολλές πηγές αναφέρονται επίσης σε ηλιακούς συλλέκτες ως φωτοβολταϊκά κύτταρα, τα οποία αναφέρονται στη σημασία του φωτός (φωτογραφίες) στη δημιουργία ηλεκτρικής τάσης.Η πρόκληση για τους μελλοντικούς επιστήμονες θα είναι η δημιουργία πιο αποτελεσματικών ηλιακών συλλεκτών είναι αρκετά μικρές για πρακτικές εφαρμογές και αρκετά ισχυρές για να δημιουργήσουν υπερβολική ενέργεια για τους χρόνους που το ηλιακό φως δεν είναι διαθέσιμο.