Działanie ogniw fotowoltaicznych opiera się na procesie, który rozpoczyna się we wnętrzu Słońca. W ciągu jednej sekundy 600 milionów ton wodoru przekształca się w 596 milionów ton helu, a różnica 4 milionów ton zamienia się w czystą energię. Energia ta dociera do Ziemi w postaci promieniowania elektromagnetycznego, które następnie panele słoneczne przekształcają w elektryczność. W pojedynczym ogniwie fotowoltaicznym napięcie wynosi około 0,5 wolta, ale gdy połączy się je w moduły, można uzyskać użyteczną moc. Efektywność tego procesu jest imponująca – każdy metr kwadratowy powierzchni Ziemi otrzymuje średnio 1367 W energii słonecznej.
Z artykułu dowiesz się:
- Jak powstaje energia słoneczna od reakcji fuzji w Słońcu do produkcji prądu?/li>
- Jak dokładnie działają ogniwa fotowoltaiczne na poziomie atomowym?
- Jakie są rodzaje ogniw i ich zastosowania w praktyce?
- Jakie perspektywy rozwoju czekają energetykę słoneczną w Polsce?
Działanie ogniwa fotowoltaicznego opiera się na efekcie fotowoltaicznym, odkrytym przez Alexandre Edmond Becquerel w 1839 r. Polska fotowoltaika rozwija się w tempie, które plasuje nasz kraj na czwartym miejscu w Unii Europejskiej pod względem przyrostu mocy. Moc zainstalowana osiągnęła 17,08 GW na koniec 2023 r., a 17,73 GW na koniec pierwszego kwartału 2024 r. To sprawia, że aspekty ESG coraz częściej uwzględniają inwestycje w energię słoneczną jako kluczowy element zrównoważonego rozwoju.
Proces powstawania energii słonecznej
Jak powstaje energia słoneczna w samym Słońcu? Energia słoneczna to wynik reakcji fuzji jądrowych zachodzących we wnętrzu tej gwiazdy. Proces ten polega na łączeniu jąder wodoru w jądra helu przy temperaturze około 15 milionów stopni Celsjusza. Powstające w ten sposób promieniowanie elektromagnetyczne podróżuje przez kosmos z prędkością światła, aby po 8 minutach i 20 sekundach dotrzeć do Ziemi.
Do Ziemi dociera w postaci promieniowania, które daje żyjącym na niej organizmom przede wszystkim światło i ciepło. Energia ta może docierać między innymi do paneli fotowoltaicznych i ogniw, które przekształcają ją w energię elektryczną. Stała słoneczna, czyli ilość energii słonecznej padającej na metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do promieni Słońca poza atmosferą ziemską, wynosi 1367 W/m². Intensywność promieniowania słonecznego zmienia się w ciągu dnia i roku, co wpływa na wydajność ogniw. Najwyższa intensywność występuje w południe, gdy Słońce znajduje się najwyżej nad horyzontem, a najniższa w godzinach porannych i wieczornych.
Zasady działania ogniw fotowoltaicznych
Działanie ogniw fotowoltaicznych opiera się na efekcie fotowoltaicznym, który polega na przekształceniu energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Gdy jednostka światła, czyli foton, dociera do płytki krzemowej ogniwa, powstaje w nim siła elektromotoryczna wybijająca elektron i zmuszająca go do ruchu w obrębie układu. Gdy energia słoneczna w postaci fotonu promieniowania pada na płytkę krzemową, jest on przez nią pochłaniany, a efektem tego jest wybicie elektronu. To właśnie ten ruch generuje prąd. Wybicie elektronu powoduje wytworzenie energii elektrycznej, która następnie jest wykorzystana do zasilania urządzeń elektrycznych. Proces ten wymaga materiału, w którym pochłaniane światło powoduje przemieszczanie elektronów. Następnie elektrony rozpraszają swoją energię w obwodzie elektrycznym.
Budowa i typy ogniw fotowoltaicznych
Działanie ogniwa fotowoltaicznego zależy od jego budowy i rodzaju użytego materiału. Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie około 0,5 wolta, a pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj między 1 a 2 W mocy. Ogniwa łączy się szeregowo lub równolegle, uzyskując większe napięcie lub natężenie prądu. Ogniwa krzemowe dzielą się na kilka typów. Ogniwa monokrystaliczne charakteryzują się najwyższą efektywnością, często przekraczającą 20 proc., ale są droższe w produkcji.
Ogniwa polikrystaliczne mają nieco niższą efektywność, ale są tańsze w produkcji, dlatego często stosuje się je przy większych powierzchniach instalacji. Ogniwa cienkowarstwowe, produkowane w procesie napylania, naparowywania i epitaksji, budowane są z mieszaniny miedzi, galu, indu oraz tellurku kadmu. Są one lżejsze i bardziej elastyczne, ale mają niższą efektywność od ogniw krzemowych.
Proces przetwarzania energii słonecznej
Jak powstaje energia słoneczna w praktycznej instalacji? Promienie słoneczne padające na panele dostarczają różną ilość energii słonecznej, a zatem zmienia się wartość napięcia i natężenia prądu wytworzonego przez ogniwa. Zmiana natężenia prądu jest prawie liniowo proporcjonalna do natężenia promieniowania słonecznego. Światło padające na ogniwo słoneczne wytwarza zarówno prąd, jak i napięcie wytwarzające energię elektryczną. Moc prądu definiuje się jako iloczyn natężenia i napięcia.
Uzyskanie prądu elektrycznego uznajemy za główny cel pracy wspomnianych ogniw. Zasada działania opiera się na przyjmowaniu promieniowania słonecznego i przetworzenia go na prąd stały. Ważną rolę odgrywają w tym procesie fotony, które powstają w Słońcu i docierają do Ziemi. Gdy padające na złącze fotony dostarczają wystarczającej energii, wytwarzają pary elektron-dziura, co prowadzi do powstania prądu elektrycznego.
Rozwój fotowoltaiki w Polsce
Fotowoltaika w Polsce przeżywa okres dynamicznego rozwoju. W 2023 r. moc zainstalowana PV wzrosła o 4,6 GW, osiągając łącznie 17,08 GW na koniec roku. W ciągu zaledwie kilku miesięcy 2024 r. przybyło kolejne 0,27 GW mocy. Jeśli chodzi o produkcję energii, fotowoltaika również wysuwa się na prowadzenie. W sierpniu 2024 stanowiła największy udział wśród wszystkich OZE, wyprzedzając energię wiatrową i biomasę. Skumulowana moc zainstalowana w PV na koniec 2022 r. wyniosła ponad 12,4 GW, co w porównaniu z rokiem 2021 oznaczało rekordowy przyrost ponad 4,7 GW nowych mocy.
Perspektywy rozwoju energii słonecznej
Działanie ogniw fotowoltaicznych będzie w przyszłości jeszcze bardziej efektywne dzięki postępowi technologicznemu. Sektor PV okazuje się odporny na wielorakie zakłócenia płynące z globalnych łańcuchów dostaw oraz zawirowań na rynku energii. Aspekty ESG coraz częściej uwzględniają inwestycje w energię słoneczną jako kluczowy element strategii zrównoważonego rozwoju przedsiębiorstw. Firmy inwestujące w fotowoltaikę nie tylko redukują swój ślad węglowy, ale także zyskują przewagę konkurencyjną na rynku.
Przyłączanie nowych instalacji do sieci staje się coraz większym wyzwaniem, ale jednocześnie napędza rozwój technologii magazynowania energii i inteligentnych sieci. Połączenie fotowoltaiki z innymi technologiami energetycznymi tworzy kompleksowy system energetyczny przyszłości. Proces powstawania energii słonecznej, od reakcji fuzji w Słońcu po działanie ogniw fotowoltaicznych, stanowi fascynujący przykład wykorzystania naturalnych procesów fizycznych do zaspokojenia potrzeb energetycznych człowieka. Rozwój tej technologii otwiera nowe możliwości dla zrównoważonej energetyki i ochrony środowiska naturalnego.
Jeśli wiadomość nie dotarła, prosimy o sprawdzenie folderu ze spamem.
W razie jakichkolwiek problemów zachęcamy do kontaktu na adres e-mail: kontakt@akademiaesg.pl
