Ο υπολογισμός της αποδοτικότητας των ηλιακών κυττάρων

Όταν κάθεστε στην παραλία, ο γαλάζιος ουρανός που βλέπετε, η ζεστασιά που αισθάνεστε και τα κύματα που ακούτε όλα έχουν την πηγή τους στην ενέργεια του ηλιακού φωτός. Τα φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα είναι ένας τρόπος μετατροπής της ενέργειας στο φως του ήλιου σε κάτι διαφορετικό από μια ευχάριστη ημέρα διακοπών. Τα ηλιακά κύτταρα μετατρέπουν την ενέργεια στο φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Η αποδοτικότητα ενός ηλιακού στοιχείου είναι ο λόγος της ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας που παράγει προς την ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που την προσβάλλει.

Η αποτελεσματικότητα οποιασδήποτε διαδικασίας είναι ένα μέτρο του πόσο καλά λειτουργεί η διαδικασία. Δηλαδή, πόση προσπάθεια πρέπει να καταβάλλετε για να έχετε ένα αποτέλεσμα. Μερικές φορές η απόδοση είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί, αλλά για τα ηλιακά κύτταρα, είναι σχετικά εύκολο. Η είσοδος σε μια ηλιακή κυψέλη είναι το ηλιακό φως και η έξοδος είναι η ηλεκτρική ενέργεια. Πιο συγκεκριμένα, η είσοδος είναι ενέργεια από το ηλιακό φως και η έξοδος είναι ενέργεια σε ηλεκτρόνια.

Σε θεμελιώδες επίπεδο, το φως αποτελείται από μικροσκοπικά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Οποιαδήποτε στιγμή κατά τη διάρκεια της ημέρας, δισεκατομμύρια φωτόνια αλληλεπιδρούν με ένα ηλιακό κύτταρο. Αυτά τα φωτόνια μεταφέρουν διαφορετικές ποσότητες ενέργειας, ανάλογα με το χρώμα τους. Μερικά φωτόνια αντανακλούν ένα ηλιακό κύτταρο, μερικά περνούν μέσα από αυτό και μερικά απορροφώνται. Η τύχη οποιουδήποτε δεδομένου φωτονίου εξαρτάται από την ενέργειά του - ή, αντίστοιχα, από το χρώμα του. Είναι αδύνατο να προβλεφθεί με βεβαιότητα η συμπεριφορά οποιουδήποτε συγκεκριμένου φωτονίου, αλλά είναι δυνατόν να υπολογιστεί η πιθανότητα αλληλεπίδρασης.

Η συντριπτική πλειονότητα των ηλιακών κυψελών κατασκευάζονται από ημιαγωγούς. Ένα από τα χαρακτηριστικά των ημιαγωγών είναι οι ενεργειακές δομές που ονομάζονται «ζώνες ασφαλείας». Τα ηλεκτρόνια στη χαμηλή πλευρά του καλωδίου παγιδεύονται στη θέση τους, ενώ τα ηλεκτρόνια που παίρνουν ένα Η αύξηση της ενέργειας στην υψηλή πλευρά του ζωνών είναι ελεύθερη να κινηθεί - συμπεριλαμβανομένου του ελεύθερου να μετακινηθείτε εντελώς από τον ημιαγωγό και να αυτοχρησιμοποιηθούν στην ηλεκτρική κυκλώματα. Τα φωτόνια που μεταφέρουν ενέργεια κοντά στο μέγεθος του χάσματος σε ένα ηλιακό κύτταρο είναι πιο πιθανό να απορροφηθούν. Για να υπολογίσετε την απόδοση πρέπει να πολλαπλασιάσετε την ενέργεια κάθε φωτονίου με την πιθανότητα απορρόφησής του και την πιθανότητα να το βγάλει από το ηλιακό στοιχείο σε ηλεκτρικό κύκλωμα. Αυτός είναι ένας αρκετά περίπλοκος υπολογισμός.

Ο υπολογισμός της απόδοσης από τις πρώτες αρχές είναι δυσκίνητος, αλλά αν έχετε τα σωστά εργαλεία μέτρησης μπορείτε να κάνετε τον υπολογισμό πιο εύκολα. Με ένα ραδιόμετρο μπορείτε να μετρήσετε την πυκνότητα ισχύος στο φως του ήλιου. Ο πολλαπλασιασμός της πυκνότητας ισχύος με την περιοχή του ηλιακού στοιχείου παρέχει ένα μέτρο της ηλιακής ενέργειας που εισέρχεται στο ηλιακό στοιχείο. Κάνετε το επόμενο βήμα συνδέοντας ένα κύκλωμα με μεταβλητή αντίσταση, έναν αισθητήρα ρεύματος και έναν αισθητήρα τάσης. Η ηλεκτρική ισχύς είναι το προϊόν του ρεύματος και της τάσης και αλλάζει ανάλογα με το φορτίο που οδηγεί η ηλιακή κυψέλη. Έτσι μεταβάλλετε την αντίσταση, υπολογίζοντας την ισχύ σε κάθε βήμα και βρείτε το μέγιστο σημείο ισχύος. Διαιρέστε τη μέγιστη έξοδο ηλεκτρικής ισχύος με την είσοδο ηλιακής ενέργειας και έχετε την απόδοση της ηλιακής κυψέλης.