ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Οι ανάγκες της ανθρωπότητας για ενέργεια συνεχώς αυξάνουν.Όμως οι κύριοι φυσικοί πόροι ενέργειας,όπως το πετρέλαιο και το κάρβουνο,μειώνονται και σύντομα θα εξαντληθούν.Επίσης η μόλυνση που προκαλείται στο περιβάλλον από τη χρήση τους είναι μεγάλη.Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας,όπως γίνεται μέχρι σήμερα,εγκυμονεί πολλούς κινδύνους και μολύνει ανεπανόρθωτα το περιβάλλον.Για τους παραπάνω λόγους η έρευνα στράφηκε στις ανεξάντλητες πηγές ενέργειας.Μία από αυτές τις πηγές είναι ο Ήλιος.

Η κατασκευή διατάξεων μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι πολύ μεγάλης σημασίας για την επίλυση του μελλοντικού ενεργειακού προβλήματος

 Η κατασκευή διατάξεων μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι πολύ μεγάλης σημασίας για την επίλυση του μελλοντικού ενεργειακού προβλήματος.
 Έτσι οι ερευνητές κατασκεύασαν τέτοιες διατάξεις,τα φωτοστοιχεία.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

 Τα φωτοστοιχεία ή φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι διατάξεις μετατροπής της ηλιακής-φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική (σε ποσοστό μέχρι 20%).
 Η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο,δηλαδή το φαινόμενο κατά το οποίο,όταν πέφτει φως πάνω σε ορισμένα υλικά,τότε στα άκρα τους αναπτύσσεται τάση.

Τα φωτοστοιχεία ή φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι διατάξεις μετατροπής της ηλιακής-φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική (σε ποσοστό μέχρι 20%)

 Στα φωτοστοιχεία γίνεται χρήση της ικανότητας των ημιαγωγών να επιτρέπουν τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων προς μία κατεύθυνση.

Το τηλεσκόπιο Χαμπλ. το «ανθρώπινο μάτι» στο διάστημα.Διακρίνονται τα δύο μεγάλα φωτοβολταϊκά τόξα πoυ το τροφοδοτούν με ενέργεια

 Τα πρώτα φωτοστοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν σε πρακτικές εφαρμογές είχαν κατασκευαστεί από σελήνιο και οξείδια του χαλκού.Στη συνέχεια,και με την ανάπτυξη της τεχνολογίας στην επεξεργασία του πυριτίου,κατασκευάστηκαν φωτοστοιχεία από πυρίτιο,κυρίως για διαστημικές εφαρμογές.

Ο δορυφόρος  Sputnik  τροφοδοτείται από φωτοκύτταρα  

 Η προσπάθεια για μείωση του κόστους οδήγησε στην κατασκευή φθηνών φωτοστοιχείων πυριτίου.Η απόδοση όμως αυτών και η διάρκεια ζωής τους είναι μικρή.Τέτοια φωτοστοιχεία χρησιμοποιούνται σήμερα ως κύρια ή βοηθητική πηγή ενέργειας σε μικρές ηλεκτρονικές συσκευές,όπως λόγου χάρη στις φορητές αριθμομηχανές (κομπιουτεράκια).Επίσης κατασκευάστηκαν φωτοστοιχεία μεγαλύτερης απόδοσης και διάρκειας ζωής από διάφορα υλικά.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

 Ένα από τα πρώτα φωτοστοιχεία που κατασκευάστηκαν αποτελείται από μεταλλικό δίσκο πάνω στον οποίο υπάρχει λεπτή επίστρωση ημιαγώγιμου υλικού,π.χ. σεληνίου (Se).Η επίστρωση είναι τόσο λεπτή,ώστε να είναι διαπερατή από το φως.

Αριθμομηχανή που λειτουργεί με φωτοστοιχεία 

 Ένα φωτοστοιχείο πυριτίου έχει δύο στρώσεις πυριτίου,η καθεμία από τις οποίες έχει κάποια πρόσμειξη.Λόγου χάρη,η πρώτη στρώση έχει πρόσμειξη φωσφόρου (Ρ) και είναι πολύ λεπτή,ενώ η άλλη στρώση είναι παχύτερη και έχει πρόσμειξη βαρίου (Ba).

 Οι δύο στρώσεις είναι συσκευασμένες μέσα σε στεγανό πλαίσιο,ώστε να προστατεύονται από τη σκόνη,την υγρασία κτλ.Η εξωτερική επιφάνεια του λεπτού στρώματος εκτίθεται στο ηλιακό φως.Για το λόγο αυτό η επιφάνεια του υλικού που την καλύπτει είναι αντιανακλαστική,για να μην ανακλάται το φως.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

 Φωτίζοντας ένα φωτοστοιχείο μετάλλου-ημιαγωγού,τα φωτόνια περνούν από το ημιαγώγιμο υλικό και φτάνουν στο μέταλλο.Από το μέταλλο αποσπώνται ηλεκτρόνια και διεισδύουν στο ημιαγώγιμο στρώμα.Έτσι το ημιαγώγιμο υλικό φορτίζεται αρνητικά,ενώ ο μεταλλικός δίσκος θετικά.Μεταξύ του αρνητικού στρώματος και του θετικού μεταλλικού δίσκου εμφανίζεται τάση.

Σχηματική παράσταση της δημιουργίας τάσης στα άκρα ενός φωτοστοιχείου μετάλλου-σεληνίου (Sc) 

 Στα φωτοστοιχεία πυριτίου,όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνειά τους,τα απορροφώμενα φωτόνια προκαλούν την εμφάνιση τάσης μεταξύ των δύο στρώσεων με παρόμοιο τρόπο.Η τάση μεταξύ των δύο στρώσεων κυμαίνεται από 0,5 έως περίπου 1 Volt, ανάλογα με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός.

 Συνδέοντας τη διάταξη με εξωτερικό κύκλωμα,αυτό διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα,το φωτόρευμα,που αυξάνεται σχεδόν γραμμικά με την ένταση του φωτός.

Σχηματική παράσταση της δημιουργίας τάσης στα άκρα ενός φωτοστοιχείου πυριτίου (Si) 

 Επειδή η μέγιστη ισχύς (P=V·I) των φωτοστοιχείων είναι μικρή,για να δημιουργήσουμε μια πρακτικά χρήσιμη φωτοβολταϊκή γεννήτρια,συνδέουμε πολλά φωτοστοιχεία σε σειρά,παράλληλα ή μεικτά,ώστε τελικά η τάση και το ολικό ρεύμα να καλύπτουν τις εκάστοτε απαιτήσεις.Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες ονομάζονται και φωτοβολταϊκές συστοιχίες.Στις εικόνες παρατηρούμε τέτοιες συστοιχίες που τροφοδοτούν μία κατοικία και ένα μύλο σε λούνα παρκ.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

 Η χρήση των φωτοβολταϊκών συστοιχιών πάνω στη Γη είναι μικρή και συνήθως περιορίζεται στην επαναφόρτιση συσσωρευτών που τροφοδοτούν σηματοδότες σιδηροδρόμων,φάρους,τηλεφωνικές γραμμές κτλ.

Σύγχρονη κατοικία τροφοδοτείται με φωτοβολταϊκή συστοιχία 

 Βέβαια υπάρχουν και μεγάλες συστοιχίες,που τροφοδοτούν εγκαταστάσεις άντλησης νερού και ύδρευσης,επιστημονικά εργαστήρια,κίνηση πρότυπων αυτοκινήτων και αεροσκαφών κτλ.Το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας αυτών είναι ακόμα πολύ μεγάλο,για να συναγωνιστούν τις συμβατικές πηγές ενέργειας (πετρελαίου,πυρηνικής ενέργειας κτλ.).

Ο μύλος του λούνα παρκ λειτουργεί με ρεύμα που προέρχεται από φωτοβολταϊκή συστοιχία 

 Η συνεχής μείωση του κόστους και η βελτίωση της τεχνολογίας κατασκευής τους ίσως βοηθήσει την ανθρωπότητα στην άντληση ενέργειας μόνο από τον Ήλιο με διάφορες τεχνικές μεθόδους.

Παροχή ενέργειας από τον Ήλιο για τη λειτουργία συσκευών σε διαστημικό όχημα 

 Φανταστείτε την ηλιακή ενέργεια να συλλέγεται από τεράστιες φωτοβολταϊκές συστοιχίες,που θα είναι τοποθετημένες σε δορυφόρους,και να στέλνεται με μορφή ραδιοκυμάτων σε ειδικούς σταθμούς στη Γη.Έτσι η ανθρωπότητα θα εξασφαλίσει την απαιτούμενη ενέργεια από τον Ήλιο και τα οικολογικά προβλήματα (π.χ. φαινόμενο θερμοκηπίου,τρύπα του όζοντος κτλ.),που δημιουργούν οι ρυπογόνες βιομηχανίες,θα λυθούν.

Φωτοβολταϊκό πάρκο στη Σητεία Κρήτης ισχύος 172 kW  

 Επίσης τα φωτοστοιχεία χρησιμοποιούνται στις κινηματογραφικές μηχανές προβολής για την παραγωγή ήχου.Όταν προβάλλεται μια κινηματογραφική ταινία,μια λεπτή δέσμη φωτός προσπίπτει κοντά στην άκρη του φιλμ.Στην περιοχή αυτή του φιλμ υπάρχει μια αλληλουχία διαφανών σχημάτων.Πίσω από το φιλμ υπάρχει ένα φωτοκύτταρο.Με το πέρασμα του φιλμ στη μηχανή προβολής τα διαφανή αυτά σχήματα διαφοροποιούν το ποσό του φωτός που προσπίπτει στο φωτοκύτταρο.Έτσι αυξομοιώνεται το φωτόρευμα.Στη συνέχεια άλλες συσκευές μετατρέπουν αυτές τις αυξομοιώσεις του ρεύματος σε ήχο.