Πώς λειτουργούν οι ηλιακοί συλλέκτες; - Ρίτσαρντ Κομπ

Δείτε όλο το μάθημα εδώ: https://ed.ted.com/lessons/how-do-solar-panels-work-richard-komp

Η Γη δέχεται πολύ ηλιακή ενέργεια: 173.000 τεραβατ. Είναι 10.000 φορές περισσότερη από όση καταναλώνει ο πληθυσμός του πλανήτη. Είναι λοιπόν δυνατόν κάποτε ο κόσμος να βασίζεται εξολοκλήρου στην ηλιακή ενέργεια; Ο Ρίτσαρντ Κομπ εξετάζει πώς οι ηλιακοί συλλέκτες μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική.

Μάθημα από τον Ρίτσαρντ Κομπ, ψηφιακή απεικόνιση από την Globizco.

Η Γη δέχεται πολύ ηλιακή ενέργεια:

173 χιλιάδες τεραβάτ.

10.000 φορές περισσότερη ενέργεια απ' όση
χρησιμοποιεί ο πληθυσμός του πλανήτη.

Είναι λοιπόν δυνατόν κάποτε

να βασιζόμαστε αποκλειστικά
στην ηλιακή ενέργεια;

Για να το απαντήσουμε,

θα εξετάσουμε πώς οι συλλέκτες μετατρέπουν
την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.

Οι ηλιακοί συλλέκτες φτιάχνονται
από μικρότερες μονάδες, τα ηλιακά κελιά.

Τα πιο κοινά ηλιακά κελιά
είναι φτιαγμένα από πυρίτιο,

έναν ημιαγωγό που είναι
το δεύτερο πιο κοινό στοιχείο στη Γη.

Σε ένα ηλιακό κελί,

τοποθετείται κρυσταλλικό πυρίτιο
μεταξύ αγώγιμων στρωμάτων.

Κάθε άτομο πυριτίου συνδέεται
με τα άλλα με τέσσερις ισχυρούς δεσμούς,

που κρατάνε τα ηλεκτρόνια
ώστε να μην μπορεί να περάσει ρεύμα.

Να το κλειδί:

ένα ηλιακό κελί πυρίτιου χρησιμοποιεί
δύο διαφορετικά στρώματα πυριτίου.

Το πυρίτιο τύπου Ν
έχει παραπάνω ηλεκτρόνια,

και ένα τύπου Ρ έχει επιπλέον
θέσεις για ηλεκτρόνια, τις τρύπες.

Εκεί που συναντιούνται οι δύο τύποι,

τα ηλεκτρόνια περιπλανώνται
στη σύνδεση Ρ/Ν,

και αφήνουν ένα θετικό φορτίο
στη μία πλευρά

και ένα αρνητικό φορτίο στην άλλη.

Σκεφτείτε το φως ως το ρεύμα
μικροσκοπικών σωματιδίων,

των φωτονίων,

που εκτοξεύονται από τον Ήλιο.

Όταν ένα φωτόνιο χτυπάει το κελί
πυριτίου με αρκετή ενέργεια,

βγάζει ένα ηλεκτρόνιο από το άτομό του,
αφήνοντας μια τρύπα.

Το αρνητικό ηλεκτρόνιο και η θέση
της θετικά φορτισμένης τρύπας

είναι τώρα ελεύθερα να κινηθούν.

Αλλά λόγω του ηλεκτρικού πεδίου
στη σύνδεση Ρ/Ν,

θα πάνε μόνο προς μία κατεύθυνση.

Το ηλεκτρόνιο έλκεται στην πλευρά Ν;

ενώ η τρύπα στην Ρ.

Τα κινούμενα ηλεκτρόνια συλλέγονται
από λεπτά μεταλλικά δάκτυλα στην κορυφή.

Από εκεί, κινούνται
σε ένα εξωτερικό κύκλωμα,

κάνοντας ηλεκτρικές αντιδράσεις,

όπως το να ανάβουν μια λάμπα,

πριν επιστρέψουν μέσω
του αγώγιμου φύλλου αλουμινίου.

Κάθε κελί πυριτίου παράγει μόνο μισό βολτ,

αλλά μπορούμε να τα βάλουμε σε συστοιχίες
για να πάρουμε περισσότερη ενέργεια.

Δώδεκα φωτοβολταϊκά κελιά είναι αρκετά
για να φορτίσουν ένα κινητό,

ενώ χρειάζονται πολλά
για να δώσουν ρεύμα σε ένα σπίτι.

Τα ηλεκτρόνια είναι τα μόνα
κινητά μέρη ενός ηλιακού κελιού,

και επιστρέφουν όλα στην αρχική θέση τους.

Δεν υπάρχει οποιαδήποτε φθορά,

έτσι τα ηλιακά κελιά αντέχουν δεκαετίες.

Τι μας εμποδίζει λοιπόν από το να
βασιστούμε εντελώς στην ηλιακή ενέργεια;

Υπάρχουν πολιτικοί παράγοντες,

για να μην αναφέρω τις εταιρείες
που θέλουν να διατηρήσουν το status quo.

Για τώρα, ας συγκεντρωθούμε
στα προβλήματα ύλης και μεταφοράς,

και το προφανέστερο

είναι ότι η ηλιακή ενέργεια
μοιράζεται άνισα στον πλανήτη.

Κάποιες περιοχές είναι
πιο ηλιόλουστες από άλλες.

Επίσης δεν έχει σταθερή ροή.

Τη νύχτα ή σε συννεφιασμένες μέρες
είναι διαθέσιμη λιγότερη ηλιακή ενέργεια.

Η πλήρης εξάρτηση λοιπόν θα χρειαζόταν

αποτελεσματικούς τρόπους μεταφοράς
ηλεκτρισμού από περιοχή σε περιοχή,

και δυνατότητα αποθήκευσης
της ενέργειας αυτής.

Η αποτελεσματικότητα του ίδιου του κελιού
είναι επίσης μια πρόκληση.

Αν το ηλιακό φως αντανακλάται
αντί να απορροφάται,

ή τα ηλεκτρόνια πέφτουν μέσα
στις τρύπες πριν διατρέξουν το κύκλωμα,

η ενέργεια του φωτονίου χάνεται.

Ακόμη και το πιο αποτελεσματικό
ηλιακό κελί σήμερα

μετατρέπει μόνο
το 46% του φωτός σε ηλεκτρισμό,

και τα περισσότερα εμπορικά συστήματα
μετατρέπουν το 15-20%.

Παρά τους περιορισμούς,

θα ήταν δυνατόν

να τροφοδοτήσουμε όλο τον κόσμο
με τη σημερινή ηλιακή τεχνολογία.

Θα χρειαζόμασταν τα χρήματα
για τις υποδομές

και πολύ κενό χώρο.

Υπολογίζεται ότι χρειάζονται από δεκάδες
ως εκατοντάδες χιλιάδες τετραγωνικά μίλια,

που φαίνεται πολύ,

αλλά η Σαχάρα από μόνη της έχει
3 εκατομμύρια τετραγωνικά μίλια έκταση.

Εν τω μεταξύ, τα ηλιακά κελιά
γίνονται καλύτερα, φτηνότερα

και ανταγωνίζονται
τον ηλεκτρισμό από το δίκτυο.

Καινοτομίες, όπως οι πλωτές ηλιακές
φάρμες ίσως αλλάξουν το τοπίο του εδάφους.

Πέρα από τα πειράματα σκέψης,

είναι γεγονός ότι πάνω από
ένα δισεκατομμύριο άνθρωποι

δεν έχουν πρόσβαση
σε ένα αξιόπιστο ηλεκτρικό δίκτυο,

ειδικά στις αναπτυσσόμενες χώρες,

πολλές από τις οποίες είναι ηλιόλουστες.

Σε μέρη σαν και αυτά,

η ηλιακή ενέργεια είναι ήδη φτηνότερη
και ασφαλέστερη από τις εναλλακτικές,

όπως η κηροζίνη.

Για τη Φινλανδία ή το Σιάτλ όμως,

η αποτελεσματική ηλιακή ενέργεια
μπορεί να μην είναι ακόμη εφικτή.