Ponad 4,5 miliarda lat temu, z ogromnego obłoku molekularnego, na skutek tzw. kolapsu czyli zapadania grawitacyjnego, powstało Słońce. Skupiska materii w przestrzeni kosmicznej zaczęły kurczyć się pod wpływem oddziaływania grawitacyjnego tworząc znane nam dzisiaj ciała niebieskie, budujące układ wokół gwiazdy centralnej – Układ Słoneczny. Dzięki obrotowi naszej planety wokół własnej osi, na powierzchnię Ziemi, równomiernie i regularnie w ciągu dnia dostarczany jest ,,porządek słoneczny’’ (umożliwiający wszelkiemu życiu konsumpcję energii i wydzielanie nieuporządkowanego ciepła), którego nadmiar, podczas nocy, oddawany jest w zimny kosmos.
Niezwykłą moc Słońca ludzie dostrzegali już tysiąclecia temu, a bóstwa solarne utożsamiają w przeróżnych mitologiach potęgę światła, ale również i dobro, prawdę i czystość. Egipski Ra, grecki Helios czy słowiański Swaróg, dziś odpowiadają na pytanie: jak uzyskiwać nieemisyjną i czystą energię, tak, by nie zatruwać własnego domu? Korzystać z pradawnej natury światła słonecznego.
Fotowoltaika jest obecnie najprężniej rozwijającą się gałęzią odnawialnych źródeł energii. Rozwój branży fotowoltaicznej, powszechny dostęp do informacji, a także dofinansowania z Unii Europejskiej, spowodowały, że wiele osób zakłada mikroinstalacje przy swoich firmach lub domach, by pozyskiwać i magazynować czystą energię. Jednakże dopóki nadal w Polsce i na świecie dominują elektrownie bazujące na nieodnawialnych źródłach, dopóty warto pisać i uświadamiać społeczeństwo, w jaki sposób można odchodzić od spalania węgla oraz na jakiej zasadzie działają panele PV.
Zalążkiem, z którego rozwinęła się do współczesnych wymiarów fotowoltaika, było zaobserwowanie przez Alexandra Edmonda Becquerela w XIX wieku, wzrostu napięcia w układzie elektroda stała – elektrolit, gdy na elektrodę padało światło. Niecałe 70 lat później, w roku 1905 Albert Einstein w swojej pracy opisał owe zjawisko i wykazał, że światło emitowane jest cząstkami, w przestrzeni rozchodzi się jako zbiór cząstek i pochłaniane jest również w ten sposób. Odkrycie było niezwykłe, gdyż do czasów Einsteina uważano, że światło ma wyłącznie charakter falowy i zachowuje się tylko jak fala elektromagnetyczna. Dziś wiemy, że do opisu natury naszego świata, używa się teorii dualizmu korpuskularno-falowego materii. Cząstki elementarne takie jak np. fotony, mają zarówno cechy fali jak i korpuskuły (cząstki).
Zjawisko zaobserwowane przez Becquerela i opisane przez Einsteina to efekt fotoelektryczny. Polega on, na tym, że strumień światła czyli strumień fotonów, padając na przedmiot (przewodnik, półprzewodnik) powoduje emisję elektronów, czyli ich wyrzucanie z metalu. W odpowiednim układzie wybite elektrony będą źródłem prądu elektrycznego.
W ogniwach fotowoltaicznych do powstania siły elektromotorycznej (SEM) wykorzystuje się zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Oznacza to, że wybite elektrony z przedmiotu nie są emitowane, a zostają w jego strukturze. Dostarczając im energię wymuszają w cząstkach ruch, a jak doskonale wiemy prąd to nic innego, jak uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.
Aby zrozumieć zasadę działania instalacji fotowoltaicznej należy wiedzieć, z czego i jak jest ona zbudowana.
Ogniwo fotowoltaiczne
Podstawowym i najważniejszym elementem instalacji jest ogniwo fotowoltaiczne. W nim zachodzą zjawiska odpowiedzialne za cały proces pozyskiwania energii. Najpowszechniej stosowanymi materiałami tutaj są półprzewodniki – najczęściej krzem. Jak więc wyjaśnić mechanizm fotowoltaiczny? Złączając ze sobą dwa półprzewodniki mamy do czynienia z dwoma obszarami – obszar półprzewodnika p o ładunku dodatnim oraz n o ładunku ujemnym. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z nośnikami energii w postaci dziur elektronowych, zaś w drugim ze swobodnymi elektronami. Na granicy obszarów powstaje wówczas nic innego, jak złącze p-n. Jak podpowiadają nam podstawowe prawa fizyki wolne elektrony przenoszą się w kierunku dziur, aby zapełnić puste miejsca. W ten sposób następuje stabilizacja układu – po jednej stronie bariery znajdują się cząstki dodatnie, a po drugiej ujemne, co z kolei wskazuje na pojawienie się różnicy potencjałów, którą nazywamy napięciem elektrycznym. W ten sposób powstaje obwód, w którym przepływa prąd stały.
Jednak jak dobrze wiemy w sieci energetycznej przepływa prąd przemienny. I tu pojawia się inwerter (falownik) – urządzenie przetwarzające prąd stały DC w zmienny AC o odpowiednich parametrach. Ze względu na swoją istotną funkcję potocznie nazywany jest sercem lub centrum całej instalacji.
Możliwości w jakich fotowoltaika znalazła swoje zastosowanie jest mnóstwo. Poza bezpośrednim zasilaniem kieszonkowych urządzeń – ładowarek, latarek, czy też pokrywaniem zapotrzebowania energetycznego domów, zasięg zastosowania tej technologii jest coraz większy.
Carport fotowoltaiczny
Jeśli chcemy powiększyć swój zasób słonecznej energii lub nasz dach nie spełnia wystarczających warunków, warto pomyśleć o carporcie fotowoltaicznym. Carport PV to wiata fotowoltaiczna, czyli zadaszenie pokryte panelami słonecznymi pod którym można zaparkować samochód. Taki dodatek może zaopatrzyć w prąd codzienne urządzenia, czy naładować pojazd elektryczny.
Farmy fotowoltaiczne
Farmy PV to nic innego, jak elektrownie słoneczne wykorzystujące instalacje fotowoltaiczne na nieco większą skalę niż energia pozyskiwana z dachu naszego domu. Farmy powstają zazwyczaj na gruncie o dużej powierzchni – takiej, aby zmieścić tysiące paneli słonecznych i móc zasilić większy obszar zapotrzebowania energetycznego. Niemniej jednak coraz częściej instalacje umieszczane są również jako dryfujące elektrownie słoneczne w zbiorniku wodnym lub… w kosmosie.
Fotowoltaika w kosmosie
W roku 1959 fizyk i futurolog Freeman Dyson, opisał hipotetyczną konstrukcję, ogromną sferę otaczającą gwiazdę, która mogłaby umożliwiać, wykorzystywanie niemal całej energii pochodzącej z promieniowania gwiazdy. Choć ów projekt, nazwany później sferą Dysona, pozostał póki co na etapie science-fiction, to od lat widać znaczny rozwój w kwestii wykorzystywania przestrzeni kosmicznej. Jak z resztą wiadomo, panele słoneczne są aktualnie źródłem energii sond kosmicznych. Obecnie trwają przeróżne badania, jak wykorzystać energię słoneczną na większą skalę. Zapewne nie sposób wymienić, jak dużo wszelakich pomysłów w tej kwestii przychodzi na myśl naukowcom każdego dnia, jednak biorąc pod uwagę dynamicznie rozwijającą się peroskwitową rewolucję, wyobrażenie budowy i eksploatacji kompleksów fotowoltaicznych w kosmosie w formie elektrowni słonecznych, staje się coraz bardziej możliwe.
Podsumowanie
Słońce powoli zwiększa swoją temperaturę, tracąc energię. Taka kolej rzeczy jest naturalna w układach grawitacyjnych, przez co za około miliard lat temperatura na Ziemi będzie wynosić średnio 100 stopni Celsjusza. Nim jednak wszystkim istotom żyjącym zetną się białka, a woda zmieni się w parę, warto dbać o naszą planetę i stawiać na rozwój ekologicznych rozwiązań energetycznych, a w szczególności fotowoltaiki.
