Jak działają ładowarki do baterii słonecznych

­

O o. Skrót, którym szedłeś przez las, zaprowadził cię do labiryntu. Zgubiłeś się i jakoś zjechałeś z głównej drogi, nie mając w zasięgu wzroku, a w Twoim samochodzie kończy się benzyna. Co gorsza, nikomu nie powiedziałeś, dokąd się wybierasz, a Twój telefon się wyczerpuje. Odmierzone sygnały dźwiękowe, które wydaje, aby ostrzec cię o jego nieuchronnej śmierci, wydają się również przypominać twoje własne.

Na szczęście w koronie lasu nastąpiła przerwa. Widzisz przed sobą szeroką łąkę pełną słońca spływającego w wysoką trawę. Parkujesz samochód i idziesz na łąkę. Po wyjściu z drzew patrzysz w górę, a na niebie nie ma żadnej chmury. Tak, wszystko będzie dobrze. Po grzebaniu w schowku na rękawiczki, odzyskujesz ładowarkę zasilaną energią słoneczną . Podłączasz kabel USB z ładowarki do telefonu komórkowego, odwracasz ładowarkę tak, aby mały panel słoneczny był skierowany ku niebu, znajdujesz sygnał telefonu komórkowego, umieszczasz całą konfigurację na pniaku, odpoczywasz i czekasz. To chyba dobry czas na relaks i poczytanie książki, bo wiesz, że pomoc jest w drodze.

Przed pierwszą dekadą XXI wieku nie miałbyś szczęścia, gdybyś znalazł się w takim scenariuszu jak ten. Ostatnio jednak wiele firm stworzyło mnóstwo ładowarek, które wykorzystują energię słoneczną do zasilania wszystkiego, od samochodów po gadżety i baterie AA. Dowiedz się więcej o mechanice ładowarek baterii słonecznych na następnej stronie.

­­

Słońce od kilku miliardów lat wysyła na Ziemię światło i ciepło. Jednak dopiero niedawno my, ludzie, odkryliśmy, jak przechwytywać i wykorzystywać część tej energii w postaci elektryczności. Pierwszą metodą było ogniwo fotowoltaiczne stworzone przez badaczy z Bell Laboratories w 1954 [źródło: DOE ]. Od tego czasu ogniwa słoneczne ewoluowały od przekształcania światła słonecznego w użyteczną energię elektryczną dla ogromnego, drogiego sprzętu kosmicznego do bardziej przyziemnych urządzeń, takich jak ładowarki akumulatorów. To świetnie, ale jak ta energia słoneczna jest przekładana na elektryczność?

Tak to się dzieje: prąd elektryczny powstaje w wyniku ruchu swobodnych elektronów, które niosą ładunek ujemny. Normalnie elektrony są splątane na orbicie wokół jądra atomu, który składa się z protonów i neutronów. Te cząsteczki atomowe są budulcem materii i można je znaleźć w absolutnie wszystkim. Pewna materia trzyma elektrony ciaśniej niż inne, ale przy wystarczającej ilości energii elektron może zostać wyrzucony z orbity.

Jedną cząstką energii, która świetnie radzi sobie z wybijaniem elektronów z atomów, jest foton . To jest subatomowy pakiet energii, który stanowi podstawę światła. Fotony pochodzące ze światła słonecznego przenoszą wystarczająco dużo energii, aby wytrącić elektrony z ich orbity w krzemie, który jest materiałem używanym w większości ogniw słonecznych. Zdolność fotonu do rozplątywania elektronów nazywana jest efektem fotoelektrycznym [źródło: ASU ].

Nierównowaga między dodatnio naładowanymi i ujemnie naładowanymi cząstkami powstaje w krzemie przez dodanie zanieczyszczeń boru i fosforu. Ta nierównowaga tworzy pole elektryczne w krzemie. Kiedy fotony uderzają w materiał i uwalniają elektrony z ich orbit, to pole elektryczne popycha je w kierunku przodu ogniwa słonecznego, co tworzy ujemnie naładowaną stronę. Protony pozostawione po drugiej stronie powierzchni komórki tworzą ładunek dodatni [źródło: GE]. Kiedy te dwie strony są połączone za pomocą zewnętrznego obciążenia – obwodu pośredniego, takiego jak zaciski tej ładowarki do baterii słonecznych – elektrony wpływają do ładunku i wytwarzają energię elektryczną. Ponieważ pojedyncze ogniwo słoneczne wytwarza tylko jeden lub dwa waty energii elektrycznej, wiele ogniw jest połączonych w moduły, które współpracują ze sobą, aby wytworzyć wystarczającą ilość energii do naładowania akumulatora [źródło: DOE ].

Baterie chemiczne generują przepływ elektronów w wyniku reakcji chemicznej. Baterie litowo-jonowe, takie jak te znajdujące się w telefonach komórkowych i iPodach, wytwarzają energię poprzez wymianę jonów z litu na węgiel. W obu typach akumulatorów energia elektryczna jest wytwarzana przez przepływ od ujemnej do dodatniej elektrody. Gdy akumulator jest ładowany, przepływ elektronów samoczynnie się odwraca, a potencjał elektryczny akumulatora jest uzupełniany.

Ładowarki do baterii słonecznych nie ładują bezpośrednio baterii litowo-jonowej w twoim gadżecie. Zwykle mają własne akumulatory – chemiczne lub litowo-jonowe – które są ładowane przez moduły słoneczne i przekazują ładunek do twojego gadżetu. Nie jest wymagane żadne zewnętrzne źródło energii elektrycznej.

Przyjrzyjmy się wielu zaletom ładowarek słonecznych na następnej stronie.

Najważniejszą korzyść, jaką zapewniają ładowarki do baterii słonecznych, jest dość łatwe: nie wymagają one zewnętrznych źródeł energii elektrycznej do ładowania baterii. Oznacza to, że ładowarki do baterii słonecznych zapewniają swobodę ruchów. W ciągu dnia słońce można znaleźć praktycznie wszędzie na Ziemi. Jeśli więc zgubisz się w lesie z niedziałającym telefonem komórkowym, potrzebujesz tylko promieni słonecznych, aby go ponownie uruchomić.

Ten brak typowego źródła elektrycznego oferuje również subtelniejsze korzyści. Ogniwa słoneczne nie generują emisji, odpadów ani produktów ubocznych; te fotony, które nie są używane, po prostu przechodzą przez krzem lub odbijają się od niego, tak jak od każdego innego materiału. Pamiętaj, ta energia elektryczna jest wytwarzana przez przeniesienie energii z fotonu na elektron, co uwalnia elektron i pozwala mu płynąć. Energia elektryczna sama w sobie nie jest formą energii, ale nośnikiem energii. Wytwarzanie go poprzez efekt fotoelektryczny jest łagodnym sposobem generowania ładunku elektrycznego.

Jednak energia elektryczna produkowana na całym świecie jest często znacznie mniej łagodna z punktu widzenia ochrony środowiska. Na przykład w 2008 r. prawie połowa energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych pochodziła ze spalania węgla [źródło: EIA ]. Węgiel jest tanim i łatwym sposobem wytwarzania energii elektrycznej, ale jest również głównym źródłem zanieczyszczeń. Agencja Ochrony Środowiska (EPA) szacuje, że elektrownie węglowe wytwarzają 59 procent dwutlenku siarki w powietrzu w USA, a także 50 procent zanieczyszczeń pyłowych. Co więcej, elektrownie węglowe również w dużym stopniu przyczyniają się do zanieczyszczenia rtęcią [źródło: EPA ].

Swoboda poruszania się i przyjazność dla środowiska to dwa największe powody, dla których warto posiadać ładowarkę do baterii słonecznych. Istnieje jednak również kilka wad ładowania słonecznego. Najważniejszym z nich jest to, że przez około połowę każdego dnia (poza regionami polarnymi Ziemi) nigdzie nie można znaleźć słońca. Brak fotonów padających z kosmosu sprawia, że ​​w nocy każde urządzenie zasilane energią słoneczną jest prawie bezużyteczne. Zła pogoda i duże zachmurzenie mają również duży wpływ na działanie ogniwa słonecznego. Nawet w jasnym świetle słonecznym większość obecnie produkowanych ogniw słonecznych jest wydajna tylko w około 10 procentach, co czyni je wolniejszymi niż ładowarki podłączane do gniazdka ściennego [źródło: DOE ].

Mimo to, jeśli znajdziesz się w lesie, prawdopodobnie dojdziesz do wniosku, że ładowarka do baterii słonecznych była naprawdę świetnym wynalazkiem.

Więcej informacji o gadżetach i innych powiązanych tematach znajdziesz na następnej stronie.

Powiązane artykuły